偶然にも適合したタンパク質表面がシアノバクテリアの光防御におけるアロステリック制御のプライミングを引き起こした

Nature Ecology & Evolution volume 7、pages 756–767 (2023)この記事を引用

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タンパク質間の高度に特異的な相互作用は生命の基本的な前提条件ですが、それらがどのように進化するかは未解決の問題のままです。 特に、最初は無関係だったタンパク質間の相互作用では、それらが一致する表面に進化する必要があります。 このような表面の適合性が、少しずつ段階的に選択することによってのみ構築できるのか、それとも偶然にも出現する可能性があるのか​​は不明です。 今回我々は、分子系統学、祖先配列の再構成、復活したタンパク質の生物物理学的特性評価を利用して、シアノバクテリアの光防御システムで作用する2つのタンパク質間のアロステリック相互作用の進化を追跡した。 われわれは、オレンジ色のカロテノイドタンパク質（OCP）と、その無関係な調節因子である蛍光回復タンパク質（FRP）との間の相互作用が、FRPの前駆体がシアノバクテリアによって水平に獲得されたときに進化したことを示す。 FRP の前駆体は、これらのタンパク質が祖先のシアノバクテリアで最初に互いに遭遇する前からすでに OCP と相互作用し、制御することができました。 OCPとFRPの相互作用は、OCPの古代の二量体界面を利用しており、これも光防御システムへのFRPの導入より前から存在しています。 私たちの研究は、進化がどのようにして既存のコンポーネントから複雑な規制システムを簡単に構築できるかを示しています。

タンパク質間のアロステリック相互作用は、あるタンパク質の活性部位が別のタンパク質の遠位部位への結合によって影響を受ける、生化学的調節の遍在的な形態です1。 このような相互作用がどのように進化するかは、進化生化学における未解決の問題です。 それには、両方のタンパク質（レギュレーターとターゲット）が、適合するインターフェースと、レギュレーターの結合をターゲットタンパク質の活性部位の変化に変換する何らかのメカニズムを進化させる必要があります。 このインターフェースと伝達機構に関与するすべての残基が新たに進化する必要がある場合、そのような相互作用を構築するには、両方のタンパク質でいくつかの置換が必要になります。 複数のタンパク質のいくつかの置換を含む長い遺伝的軌跡がランダムな遺伝的浮動によって修正される可能性は非常に低いため、既存の相互作用は通常、漸進的な突然変異の段階で構築されたものと考えられます。 各ステップでは単一の相互作用する残基が追加され、相互作用に関連する機能に直接作用する自然選択によって固定が引き起こされます2。 しかし、いくつかのタンパク質系では、2 つのパートナーのうちの 1 つにインターフェースまたはアロステリック経路が偶然にも存在していました 3、4、5、6。 これは、これらの相互作用のいくつかの側面が偶然に生じ、その後に生じた他のコンポーネントによって悪用されたことを示しています。

標的上の既存の表面を利用する新しい調節剤の相互作用表面など、相互作用のこれらの残りの構成要素を形成するために、どの程度直接選択が必要であるかは依然として不明である。 原則として、これらの機能は、インタラクションとは関係のない理由で最初に修正された場合、完全に偶然である可能性もあります。 よく研究されたすべてのケースにおいて、この質問に答えることはできません。なぜなら、両方の構成要素は、標的と調節因子が常に互いに遭遇していたであろう同じゲノム内に由来するためです。そのため、選択は調節因子をその新しい標的に適応させるように作用したかもしれないし、作用しなかったかもしれません3。 4、5、6。 したがって、生物学的に意味のある相互作用が本当に偶然に生じたのかどうかは不明のままである。

ここでは、シアノバクテリアの光保護システムにおけるアロステリック相互作用の進化を研究することで、この問題に対処します7,8。 光活性生物は、光損傷を引き起こす強い光照射から身を守らなければなりません。 シアノバクテリアでは、この保護はオレンジカロテノイドタンパク質 (OCP)9,10 によって媒介されます。これは、不活性オレンジ (OCPO) から活性赤色に構造を切り替えることができるカロテノイドが 2 つのドメインに対称的に埋め込まれた光活性光強度センサーです。強い光条件下での状態 (OCPR)11. 活性化された OCPR は、シアノバクテリアの集光アンテナ複合体であるフィコビリソームに結合し、過剰なフィコビリソームの励起を熱として消散します 11,12。 2 つの OCP パラログ (OCP2 および OCPx) は、暗所でフィコビリソームから分離し、受動的に OCPO に回復することができます 11,13。 しかし、最も一般的なパラログ OCP1 は、光回復のアロステリック制御に依存しています。OCP1 は、フィコビリソームとの相互作用を終了させる小さな二量体制御因子である蛍光回復タンパク質 (FRP) と相互作用し、OCPR の逆変換を強力に加速します。静止オレンジ状態14,15 (図1a)。 光スイッチ不可能な前駆体からの OCP の進化の可能性が最近実証されました 16 が、FRP がどのようにしてシアノバクテリアの光防御システムに新しいアロステリック調節因子として組み込まれたのかはまだわかっていません。