폴리프롤린 유형 II 나선형 부동액 단백질은 콜렘볼라에 널리 퍼져 있으며 4억 년 전 오르도비스기에서 유래했을 가능성이 높습니다.

Oct 06, 2023

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8880(2023) 이 기사 인용

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부동액 단백질(AFP)은 얼음 결정에 결합하여 유기체가 얼지 않도록 방지합니다. 알파 나선, 구형 단백질 및 여러 가지 베타 솔레노이드를 포함하여 물고기와 곤충에서 다양한 AFP 접힘이 발견되었습니다. 그러나 콜렘볼라와 같이 날지 못하는 절지동물의 AFP의 다양성은 아직 적절하게 평가되지 않았습니다. 여기에서 부동액 활성은 추운 지역 또는 온대 지역의 콜렘볼라 22종 중 18종에 존재하는 것으로 나타났습니다. 이러한 AFP를 특성화하기 위해 얼음 친화성 정제, MALDI 질량 분석법, 아미노산 조성 분석, 직렬 질량 분석법 시퀀싱, 전사체 시퀀싱 및 서열 데이터베이스의 생물정보학 조사를 포함한 여러 가지 방법이 사용되었습니다. 이들 AFP는 모두 글리신 함량이 높았으며 콜렘볼라 특유의 접힘인 동일한 폴리프롤린 유형 II 나선형 다발 접힘을 가질 것으로 예측되었습니다. 이 육각류는 오르도비스기 시대에 발생했으며 AFP를 생산하는 것으로 알려진 두 목은 약 4억년 전 안데스-사하라 빙하 시대에 갈라졌습니다. 그러므로 AFP는 약 3천만년 전 신생대 빙하기 동안 독립적으로 발생한 어류의 AFP와는 달리 다음 두 빙하기와 그 사이의 따뜻한 기간을 통해 많은 계통에서 지속되었을 가능성이 높습니다.

영하의 환경에 사는 유기체는 동결로 인한 세포 손상을 피하기 위해 적응해야 합니다. 살아있는 조직 내에 얼음 결정이 형성되면 세포 탈수 및 세포막 파열로 인한 사망 위험이 있습니다1. 영하의 온도를 경험하는 틈새를 차지하는 유기체는 종종 얼음 결정에 부착하고 얼음 결정의 성장을 방지하는 기능을 하는 부동액 단백질(AFP)을 생성합니다2. 일단 결합되면 얼음 성장은 AFP 주변 영역으로 제한되어 얼음 표면에 미세 곡률이 형성됩니다3,4. 이로 인해 물이 얼음 격자에 결합하여 동결 온도가 녹는 온도 이하로 저하되는 것이 에너지적으로 불리하게 됩니다. 이를 열 이력 현상(TH)이라고 하며 AFP의 효능을 정량화하는 데 사용됩니다.

특징화된 첫 번째 AFP는 경골어류 물고기에서 나온 것입니다5. 그 이후로 AFP는 다른 어류6, 곤충7,8 및 미생물9,10,11에서 관찰되었습니다. 어류에서 AFP는 극지방의 해빙이 약 2억년 만에 처음으로 존재했던 2천만~4천만년 전 신생대에 발생한 것으로 생각됩니다12,13. 바닷물에서 고농도의 NaCl(~0.45M)은 바닷물의 어는 온도를 ~ - 1.9°C로 낮춥니다. 물고기 혈액은 용질 농도가 낮고 ~ - 0.8 °C에서 얼기 때문에 얼음 결정과 접촉하면 핵이 얼고 물고기가 죽을 수 있습니다5. 결과적으로 어류 AFP는 신체 동결 온도를 최소 1.1°C 낮출 수 있을 만큼 충분한 양과 충분한 활성을 가지고 생산되어야 합니다. 이는 AFP가 부족한 물고기가 얼어붙을 위험이 있는 얼음이 가득한 바다에서 먹이를 안전하게 사냥할 수 있기 때문에 이들 물고기에게 선택적인 이점을 제공합니다. 어류에서 발견된 AFP에는 네 가지 유형이 있습니다: (1) 알라닌이 풍부한 유형 I AFP, (2) 렉틴 유사 유형 II AFP, (3) 시알산 합성효소에서 파생된 유형 III AFP, (4) 부동액 당단백질(4) AFGP). 모두 동일한 기능을 수행하는 다양한 접힘으로 인해 이러한 AFP가 어떻게 처음 발생했는지에 대한 의문이 제기됩니다14.

알라닌이 풍부한 알파나선형 I형 AFP는 적어도 4번 이상 독립적으로 진화했습니다. 단순 반복 AFGP는 중복 및 발산에 의해 트립시노겐 유전자로부터 한 번을 포함하여 두 번의 독립적인 경우에 발생했습니다. 유형 II AFP는 C형 렉틴 전구체에서 진화했으며 측면 유전자 전달을 통해 어류의 적어도 두 개의 먼 분류학적 가지로 확산되었습니다17,18. 시알산 합성효소 유전자의 복제와 발산으로 인해 유형 III AFP 유전자군이 생겨났는데, 이는 어류의 한 가지에서만 발견되었습니다19. 이러한 물고기 AFP 주름은 극 빙하에 대한 반응으로 지난 수천만 년 내에 발생한 것으로 생각됩니다20. 곤충21,22 및 미생물23,24과 같은 유기체의 다른 분야에서는 동일한 작업을 수행하기 위해 서로 다른 AFP 접힘이 독립적으로 발생하는 예도 있습니다.