Случайно совместимые белковые поверхности обеспечивают аллостерический контроль фотозащиты цианобактерий.

May 20, 2023

Nature Ecology & Evolution, том 7, страницы 756–767 (2023 г.) Процитировать эту статью

3160 Доступов

138 Альтметрика

Подробности о метриках

Высокоспецифичные взаимодействия между белками являются фундаментальной предпосылкой существования жизни, но то, как они развиваются, остается нерешенной проблемой. В частности, взаимодействия между изначально несвязанными белками требуют, чтобы у них образовались совпадающие поверхности. Неясно, может ли такая поверхностная совместимость быть создана только путем отбора небольшими шагами или же она может возникнуть случайно. Здесь мы использовали молекулярную филогенетику, реконструкцию предковых последовательностей и биофизическую характеристику воскресших белков, чтобы проследить эволюцию аллостерического взаимодействия между двумя белками, которые действуют в системе фотозащиты цианобактерий. Мы показываем, что это взаимодействие между оранжевым каротиноидным белком (OCP) и его несвязанным регулятором, белком восстановления флуоресценции (FRP), развилось, когда предшественник FRP был горизонтально приобретен цианобактериями. Предшественники FRP уже могли взаимодействовать с OCP и регулировать его еще до того, как эти белки впервые встретились друг с другом в предковой цианобактерии. Взаимодействие OCP-FRP использует древний димерный интерфейс в OCP, который также предшествовал привлечению FRP в систему фотозащиты. Наша работа вместе показывает, как эволюция может легко создавать сложные системы регулирования из уже существующих компонентов.

Аллостерические взаимодействия между белками представляют собой повсеместную форму биохимической регуляции, при которой на активный центр одного белка влияет связывание другого белка с дистальным сайтом1. Как развиваются такие взаимодействия — нерешенная проблема эволюционной биохимии. Это требует, чтобы оба белка (регулятор и мишень) развили соответствующий интерфейс, а также какой-то механизм, который переводит связывание регулятора в изменение в активном сайте белка-мишени. Если все остатки, участвующие в этом интерфейсе и механизме передачи, должны эволюционировать de novo, построение такого взаимодействия потребует нескольких замен в обоих белках. Поскольку длинные генетические траектории, включающие несколько замен во многих белках, вряд ли будут зафиксированы случайным генетическим дрейфом, обычно предполагается, что существующие взаимодействия возникли в результате последовательных мутационных этапов. На каждом этапе добавлялся бы один взаимодействующий остаток, и естественный отбор приводил бы к его фиксации, воздействуя непосредственно на функцию, связанную с взаимодействием2. Однако в некоторых белковых системах интерфейсы или аллостерические пути случайно существовали ранее у одного из двух партнеров3,4,5,6. Это указывает на то, что некоторые аспекты этих взаимодействий возникли случайно, которые затем были использованы другими компонентами, возникшими позже.

Остается неясным, в какой степени прямой отбор необходим для формирования этих оставшихся компонентов взаимодействия, таких как поверхность взаимодействия нового регулятора, который использует уже существующую поверхность на своей цели. В принципе, эти особенности могли бы быть и совершенно случайными, если бы они изначально были зафиксированы по причинам, не связанным с взаимодействием. Во всех хорошо изученных случаях мы не можем ответить на этот вопрос, поскольку оба компонента произошли из одного и того же генома, где мишень и регулятор всегда встречались бы друг с другом, поэтому отбор мог или не мог действовать для адаптации регулятора к его новой мишени3. 4,5,6. Поэтому остается неизвестным, действительно ли какое-либо биологически значимое взаимодействие когда-либо возникало случайно.

Здесь мы решаем эту проблему, изучая эволюцию аллостерического взаимодействия в системе фотозащиты цианобактерий7,8. Фотоактивные организмы должны защищать себя от сильного светового облучения, вызывающего фотоповреждения. У цианобактерий эта защита опосредована оранжевым каротиноидным белком (OCP)9,10, фотоактивным датчиком интенсивности света с каротиноидом, встроенным в два его домена симметрично, который способен переключать конформацию с неактивного оранжевого (OCPO) на активированный красный. состояние (OCPR) в условиях высокой освещенности11. Активированный OCPR связывается с цианобактериальным светособирающим антенным комплексом, фикобилисомой, рассеивая избыточное возбуждение фикобилисом в виде тепла11,12. Два паралога OCP (OCP2 и OCPx) могут отделяться от фикобилисомы и пассивно восстанавливаться в OCPO в темноте11,13. Однако наиболее распространенный паралог OCP1 основан на аллостерической регуляции фотовосстановления: OCP1 взаимодействует с белком восстановления флуоресценции (FRP), небольшим димерным регулятором, который прекращает взаимодействие с фикобилисомой и сильно ускоряет обратную конверсию OCPR. в состояние покоя оранжевого цвета14,15 (рис. 1а). Хотя недавно была продемонстрирована вероятная эволюция OCP из нефотопереключаемых предшественников16, пока неизвестно, как FRP был задействован в системе фотозащиты цианобактерий в качестве нового аллостерического регулятора.