近日，Journal of Experimental Biology 雜誌刊登了廈門大學近海海洋環境科學國家重點實驗室董雲偉教授團隊的重要研究成果「Heat-resistant cytosolic malate dehydrogenases (cMDHs) of thermophilic intertidal snails (genus Echinolittorina): protein underpinnings of tolerance to body temperatures reaching 55°C」。
研究團隊以分布於高潮間帶，具有高耐熱性的兩種濱螺為研究對象，通過生理生化學實驗及計算機模擬手段，發現耐熱的軟體動物通過增強代謝關鍵酶的作用，避免了在高溫條件下的解鏈；研究團隊還提出，局部柔性的增長使得酶在低溫條件下能夠發揮其催化功能，同時能在極端高溫條件下，起到穩定蛋白質的作用，確保了蛋白質功能的維持。這些發現對於查明環境溫度對生物分布的影響及其機制，預測氣候變暖的生態學效應將具有重要意義。
濱螺廣泛分布於潮間帶高潮區，是潮間帶垂直分布區劃分的標誌性物種。塔結節濱螺（Echinolittorina malaccana）和粒結節濱螺（E. radiata）是我國巖相潮間帶高潮區常見物種，其溫度耐受上限高達 55-60°C。董雲偉教授團隊與美國史丹福大學 George Somero 教授，以及華僑大學張光亞教授團隊合作，進行了一系列研究，探索了高熱耐受性濱螺在極端高溫條件下，仍舊保持體內蛋白質微結構的完整、功能的維持的奧妙所在。
圖1棲息於高潮間帶的濱螺頻繁遭受極端高溫的脅迫
細胞質蘋果酸脫氫酶（cMDH）廣泛存在於生物體內，促進細胞質和細胞器代謝產物交換方面具有重要作用。研究團隊採集了高潮間帶 Echinolittorina 科的兩種濱螺——能夠耐受高達 55°C 極端高溫的塔結節濱螺，以及熱耐受性略遜色的粒結節濱螺。從濱螺體內分離出 cMDH 後，在 20-40°C 範圍內測定了酶促動力學係數（即KMNADH），通過測定上述兩種不同來源 cMDH 胺基酸序列，研究團隊發現兩個關鍵位點——肽鏈中的第 48 和 114 號位點。粒結節濱螺 cMDH 中這兩個位點的絲氨酸（Ser），在塔結節濱螺 cMDH 中被更小得多的甘氨酸（Gly）所取代。在 42 和 57°C 下模擬了蛋白質的變性過程，獲得其微結構在不同溫度影響下的變化軌跡，發現塔結節濱螺 cMDH 在 57°C 極端高溫下較粒結節濱螺 cMDH 更穩定的關鍵所在——具有更強的剛性（Rigidity），即結構的穩定性。另一方面，模擬的結果也指出，與酶功能相關的胺基酸區域，其柔性同樣更強，局部柔性的增長使得酶在低溫條件下能夠發揮其催化功能，同時能在極端高溫條件下，起到穩定蛋白質的作用，保護酶免受高溫刺激而導致的失活。（來源：科學網）
圖2 極端高溫下，熱耐受性更強的塔結節濱螺具有更強的結構剛性（表現為更低的 RMSD 水平）。
圖3局部柔性的增長（表現為更高的RMSF水平）