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葡萄蛋白质组学打开过去的窗口

研究人员正在寻找蛋白质来探索古代生物的生物学,从中世纪人类一直回到恐龙。

习惯于使用她的样品。作为北卡罗来纳州立大学的博士后研究员,施罗特分析了数百万年来在地下保存的古代骨骼碎片,并在此过程中摧毁了它们。所以她的合作者很少给她一两克以上的材料。“人们不希望你碾碎他们的恐龙,”她解释说。“你必须学会​​如何做一点点。”

但即使只是一小撮恐龙骨粉也可以帮助揭示古老动物的秘密。例如,在最近的一个项目中,施罗特和她的顾问玛丽史威泽从蒙大拿州挖掘出的白垩纪时期草食动物(Brachylophosaurus canadensis)的200毫克化石中提取并分析了胶原蛋白肽。去年发表的这些肽的氨基酸序列将恐龙放置在鳄鱼和鸵鸟等基础鸟之间的系统发育树的一个分支上。1此外,该团队从古代标本中收集的可分析多肽表明,可能还有其他化石,其中隐藏着类似的分子信息。

尽管研究结果存在争议 - 一些研究人员仍怀疑蛋白质可以抵抗数千万年的降解 - 施罗特是少数但越来越多的研究人员之一,专门研究古代蛋白质或古物蛋白质组学,以了解生物学有机体过去。一段时间以来,它一直是科学家的目标;在20世纪50年代,一些研究人员已经在讨论研究保存在化石中的肽的可能性。但仅在过去二十年中,蛋白质分析技术的进步,例如质谱,才使得这一壮举成为可能。

从古老的蛋白质组学中学习古代生命的潜力是巨大的。通过它们的氨基酸序列,肽提供了许多与基因组构成信息相同的见解,这些信息可以支持新的或现有的系统发育树,为过去迁移的研究提供信息,并协助物种鉴定,即使在一堆古老的遗骸中也是如此。(参见“那是什么又是新的”,“科学家”,2015年6月。)但是,由于沉积体积更大,分子结构更易降解,蛋白质在地质记录中的持续时间比核酸更长。“DNA和蛋白质都是构建模块的链条,”Enrico Cappellini解释道,丹麦自然历史博物馆的古代蛋白质组学研究员。“但连接这些区块的键在蛋白质中比在DNA中更稳定。”从格陵兰南部采集的冰芯中提取的最古老的DNA样本不到80万年,而最古老的蛋白质,即使是保守估计,日期也是如此。回来几百万年。

当你从化石中提取蛋白质时,许多其他来自化石 - 腐植酸和其他类型的有机物 - 与它们共同提取的东西。-Elena Schroeter,北卡罗来纳州立大学

在某些方面,肽提供比其遗传前体更多的生物学见解。“蛋白质是基因组的功能代表,”史密森学会的物理科学家蒂姆克莱兰说,他曾是史怀哲的博士生。蛋白质水平因组织而异,并随着生物体的老化而变化。对分子进行翻译后修饰可能会提供有关单独DNA序列无法提供的有机体生理学或生物化学的信息。

为了探索这些可能性,研究人员正在探索各种古代材料中的蛋白质,从中世纪骨骼的牙菌斑到数亿年前走过地球的恐龙骨骼。虽然该领域正在努力解决其公平的争论 - 例如在哪里寻找蛋白质以及如何确认其身份 - 例如,最近的努力结果正在为地球上的古代生活提供前所未有的观点。“对我而言,它是巨大的,”Cappellini说,他的团队在2011年发表了一篇来自43,000年历史的猛犸象骨的126个蛋白质序列.2对古老蛋白质的研究“揭开了古生物学的新篇章。”

淘选古代蛋白质

现代蛋白质通常借助于质谱仪来识别,质谱仪是分析分子碎片的质量和电荷以推断化合物化妆的机器。利用质谱技术,研究人员可以重建蛋白质的氨基酸序列,甚至可能重建其翻译后的修饰。该技术使蛋白质组学领域取得了快速进展。值得注意的是,据报道,国际人类蛋白质组计划接近实现其绘制所有人类蛋白质的目标。然而,在该方法应用于古代肽时,有一些皱纹需要解决。

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