Emergence of new function through evolutionary divergence of an intrinsically disordered region

细胞内部的生命活动依赖于物质持续且有序的流动。为了保持这种流动，细胞利用由蛋白质构成的微型机器，抓住细胞的外皮，将其向内拉动，并形成一个携带货物前往所需之地的气泡。这一过程被称为胞吞作用（endocytosis），它需要一组特定的蛋白质充当先驱者，首先抵达并标记位置，随后招募其余的团队。长期以来，科学家们认为这些蛋白质如何运作的指令是写在它们僵硬、折叠的形状中的。然而，越来越多的研究表明，许多蛋白质包含长而松散的部分，这些部分根本不会折叠成固定的形状。这些被称为内在无序区域（intrinsically disordered regions）。虽然它们缺乏永久的结构，但并非毫无用处；相反，它们作为灵活的连接器，允许蛋白质与许多不同的伙伴进行相互作用。一个悬而未决的大问题是，这些松散、无形的片段如何在进化过程中，在不失去原有能力的前提下，突然获得一项新的、特定的工作。

两种名为 FCHO1 和 FCHO2 的蛋白质为揭开这个谜团提供了一个清晰的窗口。它们是表亲，诞生于一个古老基因的复制，并且都作为同一细胞过程的先驱。尽管它们有着共同的历史和相似的整体设计，但它们执行不同的任务，且无法互相替代。如果其中一个缺失，另一个无法接管其职责。研究人员试图理解为什么这两个近乎相同的蛋白质表现得如此不同。通过使用一种称为核磁共振波谱法（nuclear magnetic resonance spectroscopy）的技术——该技术允许科学家观察蛋白质中原子的运动——他们发现差异在于这些松散区域内一个特定且转瞬即逝的变化。虽然 FCHO2 的无序区域保持完全无形，但 FCHO1 中对应的区域偶尔会猛然收缩成一种被称为螺旋（helix）的紧密螺旋结构。这种螺旋并不是永久性的；它快速地形成并消散，但其稳定性足以被检测和研究。

研究表明，这种临时的螺旋结构是该蛋白质独特行为的关键。在 FCHO1 中，螺旋起到了磁铁的作用，导致蛋白质彼此粘附，驱动它们在细胞内组装成更大的集群。FCHO2 缺乏这种螺旋，因此不会以同样的方式聚集。为了证明这一微小的结构特征是造成差异的唯一原因，研究人员进行了一项精确的实验。他们提取了 FCHO1 中螺旋部分的遗传密码，并将其插入 FCHO2 中。仅仅添加这一部分，就足以改变 FCHO2，赋予其自我粘附并形成与其表亲相同的细胞组装体的能力。这一发现表明，一种新功能可以通过一个无序区域获得形成瞬时结构的能力而产生，从而将一个柔性片段转变为可以在蛋白质之间传递的功能模块。

进化分析显示，这种螺旋能力在这些蛋白质的原始祖先中并不存在。它仅在基因复制后才出现，随着时间的推移，形成这种形状的倾向变得越来越强且越来越可靠。值得注意的是，即使在 FCHO1 获得了这种新的自我组装能力时，它仍然保留了这两种蛋白质原始的功能：即结合细胞膜的能力。形成新螺旋的区域仍然履行着它附着于表面的古老职责，证明了蛋白质可以在获得新行为的同时，不丢弃其旧有的功能。这项工作为自然界如何使最初完全相同的蛋白质实现专业化提供了一个清晰的机制。通过在柔性区域添加一个微小的、临时的结构，进化可以在创造细胞新工具的同时，保留维持生物体生存的核心功能。