生物帮芝加哥大学的一项新研究表明，精心设计的蛋白质结构即使在毫无用处的情况下也会在很长时间内积累，因为通用的生化特性和遗传密码迫使自然选择来保存它们。该作品于2020年12月9日发表在《自然》上。
我们细胞中的大多数蛋白质与其他蛋白质形成特定的复合物，这一过程称为多聚化。像生物学中其他类型的复杂性一样，通常认为多聚体会在进化过程中持续存在，因为它们具有一定的功能优势，而自然选择有利于此。
芝加哥大学人类遗传学，生态学和进化学教授约瑟夫·桑顿博士说：“复杂性如何进化是进化生物学的重大问题之一。” “经典的解释是，复杂的结构必须存在，因为它们会赋予有机体一些功能上的好处，因此自然选择会驱使不断增加的复杂性状态。显然，在某些情况下，复杂性是适应性的，就像眼睛的进化一样：复杂的眼睛看得更好而不是简单的机制。但是在分子水平上，我们发现还有其他简单的机制可以推动复杂性的累积。”
由桑顿和芝加哥大学博士后研究员格奥尔格·霍奇伯格(Georg Hochberg)领导的研究小组着手研究称为类固醇激素受体的蛋白质家族中多聚化的进化过程，这些蛋白质组装成对(称为二聚体)。
桑顿说，他们使用了一种称为祖先蛋白质重建的技术，这种技术是一种分子“时间旅行”，使他们能够在实验室中重建古老的蛋白质，并通过实验检查它们如何受到数亿年前发生的突变的影响。
令他们惊讶的是，他们发现古老的蛋白质在组装成二聚体时的功能与从未进化为完全二聚化的功能相同。形成复合物没有任何有用或有益的作用。
为何对受体的二聚体形式持续了4.5亿年的解释却非常简单。霍奇伯格解释说：“尽管这些蛋白质没有什么用处，但它们逐渐沉迷于它们的相互作用。”霍奇伯格说。他现在是德国马尔堡马克斯·普朗克研究所的组长。“形成界面的蛋白质部分，伴侣之间相互结合，积累了二聚体进化后可以忍受的突变，但是在单态状态下是有害的。这使得该蛋白质完全依赖于二聚体形式，并且可以不再回头。无用的复杂性根深蒂固，从根本上永远消失了。”
研究人员表明，简单的生化，遗传和进化原理使分子复合物的固着成为必然。编码每种蛋白质的基因历经数代不断遭受突变的破坏，其中许多突变都会破坏蛋白质的折叠能力和正常运行。一种称为“纯化选择”的自然选择形式可从种群中去除这些有害突变。
一旦蛋白质进化为多聚体，形成该界面的部分就可以积累突变，只要该蛋白处于单聚体状态，只要它们能够在多聚体中被容忍，这些突变就会有害。然后，纯化选择会巩固复杂的形式，从而防止返回到独奏状态。
研究人员表明，简单而普遍的生物化学法则是根深蒂固的基础。蛋白质由氨基酸组成，氨基酸可以是水溶性或疏水性的，这意味着它们很容易溶于油而不溶于水。通常，蛋白质会折叠，因此水溶性氨基酸在外面，而疏水氨基酸在里面。使蛋白质表面更具油溶性的突变会破坏其折叠，因此，如果在单独的蛋白质中发生纯化选择，则会将其除去。
但是，如果蛋白质进化为多聚体，则界面表面上的那些疏水氨基酸将对水隐藏，并且对于纯化选择不可见。然后，多聚体就变得根深蒂固了，因为返回至单独状态会暴露出现在油溶性且有害的界面。
这种“疏水棘轮”似乎很普遍。研究人员分析了一个庞大的蛋白质结构数据库，包括数百个二聚体和相关的单独蛋白质，发现绝大多数界面已经变得如此疏水，以至于二聚体形式已根深蒂固。
在数亿年的时间里，这种作用于数千种蛋白质的机制可以驱动细胞内许多无用复合物的逐渐积累。
霍奇伯格说：“某些复合物肯定具有重要功能，但即使是那些复合物，也会被疏水性棘轮分子所根深蒂固，使它们比其他方法更难丢失。” “随着棘轮在后台不断运行，我们的细胞可能已经积累了许多根深蒂固的复合物，其中许多从来没有发挥过有用的功能，或者很久以前就停止了。”
未来的方向包括调查除多聚化以外的相互作用是否可能是根深蒂固的结果。桑顿说：“这是一个有关蛋白质与自身其他拷贝二聚的故事，这是一个非常普遍的过程。” “但是细胞中还有许多其他相互作用，我们认为其中的某些相互作用可能是由于类似的对分子复杂性的后天依赖而在进化过程中积累的。”
