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由于20种氨基酸的组合多样性，蛋白质序列空间极其庞大。然而，进化仅产生了一组有限的“古老”经典蛋白质家族，它们共享进化祖先、结构和功能。目前仍不清楚的是，经典序列在序列空间中如何分布，近期进化形成的“年轻”蛋白质与其相比有何异同，以及随机序列、年轻序列和经典序列是否能够沿着进化上合理的路径相互转化，还有哪些生物物理性质将这些序列区分开来或联系起来。在此，我们分析了来源于酵母和果蝇的天然新生蛋白质，这些蛋白质起源于非编码DNA，因此经历的进化选择有限。它们可作为模型，用于考察年轻的新生蛋白质和基因间区蛋白质、较古老的经典蛋白质及其随机化对应物之间的关系。由于新生序列和随机化序列缺乏可检测的同源性，我们采用了一种无需比对的、基于k-mer的距离方法。随机化使所有类别中的距离分布都向预期的随机行为偏移，但天然、未随机化的序列类别仍然彼此区分明显，这表明残基排列并非随机。每一类都表现出特征性的k-mer模式，其中新生蛋白质与经典蛋白质及所有随机化序列均清晰分离。连接这些类别的序列通常被预测含有跨膜螺旋。因此，新生蛋白质并不是序列空间中的随机样本。相反，它们占据了由残基顺序和生物物理约束所界定的、受限但在进化上可达的区域，这提示了新蛋白质产生与多样化的一条合理路径。
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摘要
由于 20 种氨基酸的组合多样性，蛋白质序列空间极其庞大。然而，进化仅产生了一组有限的“古老”经典蛋白质家族，它们共享进化祖先、结构和功能。经典序列如何定位于序列空间中、近期进化形成的“年轻”蛋白质与其相比如何、以及随机序列、年轻序列与经典序列是否能够沿着在进化上合理的路径相互转化，此外哪些生物物理性质区分或连接这些序列，这些问题仍不清楚。在此，我们分析了来自酵母和果蝇的天然新生蛋白质（de novo proteins），它们起源于非编码 DNA，因此仅经历了有限的进化选择。它们可作为模型，用于考察年轻的新生蛋白质与基因间区蛋白质、较古老的经典蛋白质及其随机化对应序列之间的关系。由于新生序列和随机化序列缺乏可检测的同源性，我们采用一种无比对的、基于 k-mer 的距离方法。随机化会使所有类别中的距离分布向预期的随机行为偏移，但天然的、未随机化的序列类别仍然彼此可区分，这表明残基组织并非随机。每一类都表现出特征性的 k-mer 模式，其中新生蛋白质与经典蛋白质及所有随机化序列均明显分离。连接这些类别的序列常被预测含有跨膜螺旋。因此，新生蛋白质并非序列空间中的随机样本。相反，它们占据了由残基顺序和生物物理约束所定义的、受限但在进化上可达的区域，这提示了新蛋白质出现与多样化的一条合理路径。
利益冲突声明
已声明的资助信息
欧洲分子生物学组织 10944 马克斯·普朗克学会 欧洲研究委员会 101116284 人类科学前沿计划 RGP0006/2013 RGP004/2023 德国研究基金会 BO-2544/20-1；503272152 BO-2544-22/1；503348080 BO-2544-12/1；298390451 INST 211/667-1） 明斯特大学专题项目 大众汽车基金会 98181 冲绳科学技术大学院大学理论科学访问项目 314
版权
本预印本的。
本作品依据 CC-BY-NC-ND 4.0 国际许可协议 提供。
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发布于 2026 年 7 月 24 日。 下载 PDF 电子邮件
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进化上年轻与古老的蛋白质如何分布于序列空间中？
Lars A Eicholt， Agnes Toth-Petroczy， Richard A Goldstein， Erich Bornberg-Bauer
bioRxiv 2026.07.21.739789； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.21.739789
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进化上年轻与古老的蛋白质如何分布于序列空间中？
Lars A Eicholt， Agnes Toth-Petroczy， Richard A Goldstein， Erich Bornberg-Bauer
bioRxiv 2026.07.21.739789； doi： https://doi.org/10.64898/2026.07.21.739789
📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.21.739789v1?rss=1
🏷️ 蛋白质进化 新生蛋白质 序列空间 k-mer分析 跨膜螺旋