为什么蛋白质兼具可塑性与稳定性从进化视角

导语在生命复杂系统中,有的变量表现出稳定性,而另外一些变量表现出可塑性,它们之间存在微妙的平衡。近日东京大学综合文化研究科博士后、集智科学家傅渥成(唐乾元)等,在PhysicalReviewResearch发表文章,揭示蛋白质系统的功能敏感性和突变稳定性之前的定量关系,加深了对蛋白质功能运动和突变进化之间的关系。

1.可塑性(plasticity)和稳定性(robustness):

矛盾还是互补?

生命系统常常表现出高度的“可塑性”,这种可塑性反映出系统随环境变化状态“可变”的一种特性。当生物来到了一个新的环境,常常可以很快地适应新的环境,这就是一种可塑性;再比如说,我们的大脑可以不断学习新的知识,这也是一种可塑性;通过选择与进化,生物变得越来越适应某种环境,这也可以看成是一种可塑性。

与可塑性相反的一个概念是稳定性(robustness,平时也翻译为鲁棒性、稳健性等,本文为简单起见,统一称为“稳定性”)。例如,恒温动物的体温在不同的环境下可以保持在相对稳定的范围内,这体现的就是一种稳定性。稳定性所反映的是系统随环境变化状态“不变”的一种特性。可塑性与稳定性,代表着复杂系统“可变”与“不变”这样一个基本矛盾。

一个系统,通常要么是具有可塑性,要么是具有稳定性,很难同时实现这二者。当然,在复杂系统中,通过一些精巧的平衡,系统可以同时具有可塑性和稳定性——我们的大脑既可以学习崭新的知识(可塑),又能保持那些古老的回忆(稳定)。更多的,我们常常会看到,在一个复杂系统中,有的变量表现出稳定性,而另外一些变量表现出可塑性。

这种现象其实在经典的热力学中经常出现。热力学中有许多共轭的变量,例如体积和压强。当两个变量互为共轭的时候,增大其中一个量的可变性,实际上就是在增大其共轭变量的稳定性。例如,在一个化学反应中,如果我们固定系统的压强(等温等压系综),系统的体积则有可能会发生剧烈的变化,反过来,如果固定体积,那么压强又会有剧烈的变化。总之,体积的可变性跟压强的稳定性可以同时实现,而压强的可变性跟体积的可变性也可以同时实现。从直观上来看,看起来有点像量子力学的“不确定关系”。

在生物系统的适应性等问题中,这种类似的共轭关系也广泛存在,举个例子,在一个振动问题中,相位和频率也有类似的共轭关系,因此,相位的可变性跟频率的稳定性是可以同时实现的。这很好理解,当我们从一个时区移动到另一个时区,我们很快便适应了这个新时区的生活,这里,我们所适应的,其实就是新环境下的“相位”,而在新的时区,仍然每天是24个小时,即频率保持稳定,相位可以调节[1]。试想在未来,人类(或者其它生物)需要经常在昼夜时长不同的星球上生活,到那时,我们或许会更想要相位保持稳定、而频率保持可变的生物钟。

总之,尽管“可变”和“不变”无法同时实现,但是在一个复杂系统中,可塑性和稳定性未必总是矛盾的,我们常常可以看到,系统的某一部分具有强的可塑性,而另外一部分变量保持高的稳定性。特别的,当两组变量互为共轭的时候,增强其中一部分变量的可塑性,实际上可以帮助提高与之共轭的一部分变量的稳定性,反正亦然。沿着这一思路,我们近期在PhysicalReviewResearch上发表了一篇理论研究的文章,这篇文章描述了蛋白质的功能敏感性和突变稳定性之间的关系,这一关系同样体现了可塑性与稳定性之间的互补性。在这篇文章里,我将简要概述一下文章的主要思路,如果你对相关的细节感兴趣,可以直接阅读我们的论文[2]。

原文题目:

Functionalsensitivityandmutationalrobustnessofproteins

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