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Jul 07, 2023

Superfícies proteicas fortuitamente compatíveis estimularam o controle alostérico na fotoproteção de cianobactérias

Nature Ecology & Evolution volume 7, páginas 756–767 (2023)Cite este artigo 3769 Acessos 2 citações 136 Detalhes de métricas altmétricas Interações altamente específicas entre proteínas são fundamentais

Nature Ecology & Evolution volume 7, páginas 756–767 (2023)Cite este artigo

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2 citações

136 Altmétrico

Detalhes das métricas

Interações altamente específicas entre proteínas são um pré-requisito fundamental para a vida, mas a forma como elas evoluem permanece um problema não resolvido. Em particular, as interações entre proteínas inicialmente não relacionadas exigem que elas desenvolvam superfícies correspondentes. Não está claro se tais compatibilidades superficiais só podem ser construídas por seleção em pequenos passos incrementais, ou se também podem surgir fortuitamente. Aqui, utilizamos filogenética molecular, reconstrução de sequências ancestrais e caracterização biofísica de proteínas ressuscitadas para reconstituir a evolução de uma interação alostérica entre duas proteínas que atuam no sistema de fotoproteção de cianobactérias. Mostramos que esta interação entre a proteína carotenóide laranja (OCP) e seu regulador não relacionado, a proteína de recuperação de fluorescência (FRP), evoluiu quando um precursor de FRP foi adquirido horizontalmente por cianobactérias. Os precursores do FRP já podiam interagir e regular o OCP antes mesmo que essas proteínas se encontrassem pela primeira vez em uma cianobactéria ancestral. A interação OCP-FRP explora uma antiga interface de dímero no OCP, que também antecede o recrutamento de FRP no sistema de fotoproteção. Juntos, o nosso trabalho mostra como a evolução pode facilmente moldar sistemas regulatórios complexos a partir de componentes pré-existentes.

As interações alostéricas entre proteínas são uma forma onipresente de regulação bioquímica na qual o sítio ativo de uma proteína é afetado pela ligação de outra proteína a um sítio distal1. Como essas interações evoluem é um problema não resolvido na bioquímica evolutiva. Requer que ambas as proteínas (o regulador e o alvo) desenvolvam uma interface correspondente, bem como algum mecanismo que traduza a ligação do regulador a uma mudança no sítio ativo da proteína alvo. Se todos os resíduos que participam desta interface e do mecanismo de transmissão tivessem que evoluir de novo, a construção de tal interação exigiria diversas substituições em ambas as proteínas. Como é muito improvável que longas trajetórias genéticas envolvendo várias substituições em múltiplas proteínas sejam corrigidas por deriva genética aleatória, geralmente se supõe que as interações existentes tenham sido construídas em etapas mutacionais incrementais. Cada passo adicionaria um único resíduo de interação e seria levado à fixação pela seleção natural agindo diretamente em uma função associada à interação2. No entanto, em alguns sistemas proteicos, interfaces ou vias alostéricas pré-existiam fortuitamente em um dos dois parceiros3,4,5,6. Isso indica que alguns aspectos dessas interações surgiram por acaso, sendo então explorados por outros componentes que surgiram posteriormente.

Ainda não está claro até que ponto a selecção directa é necessária para moldar estes componentes restantes de uma interacção, tais como a superfície de interacção de um novo regulador que explora uma superfície pré-existente no seu alvo. Em princípio, essas características também poderiam ser totalmente acidentais se fossem inicialmente corrigidas por motivos não relacionados à interação. Em todos os casos bem estudados não podemos responder a esta questão porque ambos os componentes se originaram dentro do mesmo genoma onde o alvo e o regulador sempre teriam se encontrado, então a seleção pode ou não ter agido para adaptar o regulador ao seu novo alvo3, 4,5,6. Portanto, permanece desconhecido se alguma interação biologicamente significativa realmente surgiu por acaso.

Aqui, abordamos esse problema estudando a evolução de uma interação alostérica no sistema de fotoproteção de cianobactérias7,8. Organismos fotoativos devem se proteger da alta irradiação luminosa que causa fotodanos. Nas cianobactérias, essa proteção é mediada pela proteína carotenóide laranja (OCP)9,10, um sensor fotoativo de intensidade de luz com um carotenóide incorporado simetricamente em seus dois domínios que é capaz de mudar a conformação de laranja inativo (OCPO) para vermelho ativado. estado (OCPR) sob condições de alta luminosidade11. O OCPR ativado liga-se ao complexo de antena coletora de luz da cianobactéria, o ficobilissoma, para dissipar o excesso de excitação do ficobilissoma como calor . Dois parálogos de OCP (OCP2 e OCPx) podem se separar do ficobilissoma e se recuperar passivamente em OCPO no escuro . No entanto, o parálogo OCP1 mais comum depende de uma regulação alostérica para foto-recuperação: OCP1 interage com a proteína de recuperação de fluorescência (FRP), um pequeno regulador dimérico que termina a interação com o ficobilissoma e acelera fortemente a retroconversão de OCPR para o estado laranja de repouso14,15 (Fig. 1a). Embora a provável evolução do OCP a partir de precursores não fotocomutáveis ​​tenha sido recentemente demonstrada , ainda não se sabe como o FRP foi recrutado para o sistema de fotoproteção de cianobactérias como um novo regulador alostérico.