우연히도 호환 가능한 단백질 표면은 시아노박테리아 광보호에서 알로스테릭 제어를 프라이밍했습니다.

May 20, 2023

자연 생태학 및 진화 7권, 756~767페이지(2023)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

단백질 간의 고도로 특정한 상호작용은 생명의 기본 전제조건이지만, 단백질이 어떻게 진화하는지는 아직 해결되지 않은 문제로 남아 있습니다. 특히, 처음에는 관련이 없는 단백질 간의 상호작용을 위해서는 일치하는 표면이 진화해야 합니다. 그러한 표면 호환성이 작은 증분 단계의 선택을 통해서만 구축될 수 있는지, 아니면 우연히 나타날 수도 있는지는 확실하지 않습니다. 여기에서 우리는 시아노박테리아 광보호 시스템에서 작용하는 두 단백질 사이의 알로스테릭 상호작용의 진화를 추적하기 위해 분자 계통발생학, 조상 서열 재구성 및 부활된 단백질의 생물리학적 특성 분석을 사용했습니다. 우리는 FRP의 전구체가 시아노박테리아에 의해 수평으로 획득될 때 오렌지색 카로티노이드 단백질(OCP)과 관련 없는 조절자인 형광 회복 단백질(FRP) 사이의 상호 작용이 진화되었음을 보여줍니다. FRP의 전구체는 조상 시아노박테리움에서 이들 단백질이 처음으로 서로 만나기 전에도 이미 OCP와 상호작용하고 조절할 수 있었습니다. OCP-FRP 상호작용은 OCP의 고대 이량체 인터페이스를 활용하며, 이는 또한 FRP를 광보호 시스템에 채용하기 이전입니다. 함께, 우리의 연구는 진화가 어떻게 기존 구성 요소에서 복잡한 규제 시스템을 쉽게 만들 수 있는지 보여줍니다.

단백질 간의 알로스테릭 상호작용은 한 단백질의 활성 부위가 다른 단백질이 원위 부위에 결합함으로써 영향을 받는 생화학적 조절의 보편적인 형태입니다1. 그러한 상호 작용이 어떻게 진화하는지는 진화 생화학에서 해결되지 않은 문제입니다. 이를 위해서는 두 단백질(조절인자와 표적)이 일치하는 인터페이스뿐만 아니라 조절인자의 결합을 표적 단백질의 활성 부위의 변화로 변환하는 일부 메커니즘을 발전시켜야 합니다. 이 인터페이스와 전달 메커니즘에 참여하는 모든 잔기가 새롭게 진화해야 한다면, 그러한 상호 작용을 구축하려면 두 단백질 모두에서 여러 가지 치환이 필요합니다. 여러 단백질의 여러 치환을 포함하는 긴 유전 궤적은 무작위 유전적 표류에 의해 고정될 가능성이 거의 없기 때문에 기존 상호 작용은 일반적으로 점진적인 돌연변이 단계에서 구축된 것으로 가정됩니다. 각 단계는 상호 작용하는 단일 잔기를 추가하고 상호 작용과 관련된 기능에 직접 작용하는 자연 선택에 의해 고정되도록 유도됩니다2. 그러나 몇몇 단백질 시스템에서는 우연히 두 파트너 중 하나에 인터페이스 또는 알로스테릭 경로가 미리 존재했습니다. 이는 이러한 상호 작용의 일부 측면이 우연히 발생했으며 나중에 발생한 다른 구성 요소에 의해 활용되었음을 나타냅니다.

표적의 기존 표면을 활용하는 새로운 조절기의 상호 작용 표면과 같이 상호 작용의 나머지 구성 요소를 형성하기 위해 어느 정도 직접 선택이 필요한지는 불분명합니다. 원칙적으로 이러한 기능은 상호 작용과 관련 없는 이유로 처음에 수정된 경우 완전히 우연일 수도 있습니다. 잘 연구된 모든 사례에서 우리는 이 질문에 답할 수 없습니다. 왜냐하면 두 구성 요소 모두 표적과 조절자가 항상 서로 만났을 동일한 게놈 내에서 유래했기 때문에 선택이 조절기를 새로운 표적에 적응시키는 역할을 했을 수도 있고 그렇지 않았을 수도 있기 때문입니다3, 4,5,6. 따라서 생물학적으로 의미 있는 상호작용이 실제로 우연히 발생했는지 여부는 아직 알려지지 않았습니다.

여기에서는 시아노박테리아 광보호 시스템7,8에서 알로스테릭 상호작용의 진화를 연구하여 이 문제를 해결합니다. 광활성 유기체는 광손상을 일으키는 높은 빛 조사로부터 자신을 보호해야 합니다. 시아노박테리아에서 이러한 보호는 비활성 오렌지(OCPO)에서 활성화된 빨간색으로 형태를 전환할 수 있는 두 도메인에 대칭적으로 내장된 카로티노이드가 있는 광활성 광도 센서인 오렌지 카로티노이드 단백질(OCP)9,10에 의해 매개됩니다. 높은 조명 조건에서 상태(OCPR)11. 활성화된 OCPR은 시아노박테리아 빛 수확 안테나 복합체인 피코빌리솜에 결합하여 과도한 피코빌리솜 여기를 열로 소멸시킵니다. 두 개의 OCP 파라로그(OCP2 및 OCPx)는 피코빌리솜에서 분리되어 어둠 속에서 수동적으로 OCPO로 회복될 수 있습니다11,13. 그러나 가장 일반적인 파라로그 OCP1은 광회복을 위한 알로스테릭 조절에 의존합니다. OCP1은 피코빌리솜과의 상호작용을 종료하는 작은 이량체 조절자인 형광회복단백질(FRP)과 상호작용하고 OCPR의 역전환을 강력하게 가속화합니다. 휴면 주황색 상태14,15(그림 1a)로 전환됩니다. 비-광전환 전구체로부터 OCP의 진화 가능성이 최근 입증되었지만 FRP가 새로운 알로스테릭 조절자로서 시아노박테리아 광보호 시스템에 어떻게 채용되었는지는 아직 알려져 있지 않습니다.