Notícias

Sep 10, 2023

Identificação de uma via evolutiva secreta entre duas dobras de proteína

Volume de comunicações da natureza

Nature Communications volume 14, Número do artigo: 3177 (2023) Citar este artigo

317 Acessos

15 Altmétrica

Detalhes das métricas

Embora se espere que sequências de proteínas homólogas adotem estruturas semelhantes, algumas substituições de aminoácidos podem interconverter α-hélices e β-folhas. Essa mudança de dobra pode ter ocorrido ao longo da história evolutiva, mas as evidências de apoio foram limitadas por: (1) abundância e diversidade de genes sequenciados, (2) quantidade de estruturas de proteínas determinadas experimentalmente e (3) suposições subjacentes aos métodos estatísticos usados ​​para inferir homologia. Aqui, superamos essas barreiras aplicando vários métodos estatísticos a uma família de aproximadamente 600.000 proteínas reguladoras de resposta bacteriana. Descobrimos que suas subunidades homólogas de ligação ao DNA assumem estruturas divergentes: hélice-volta-hélice versus α-hélice + β-folha (hélice alada). Análises filogenéticas, reconstrução de sequência ancestral e modelos AlphaFold2 indicam que as substituições de aminoácidos facilitaram uma mudança de hélice-vira-hélice para hélice alada. Essa transformação estrutural provavelmente expandiu a especificidade de ligação ao DNA. Nossa abordagem revela um caminho evolutivo entre duas dobras de proteínas e fornece uma metodologia para identificar a mudança de estrutura secundária em outras famílias de proteínas.

A vida é sustentada pelas interações químicas e reações catalíticas de centenas de milhões de proteínas dobradas. As estruturas e funções dessas proteínas são determinadas por suas sequências de aminoácidos1. Como tal, as alterações de sequência têm vários efeitos funcionais, variando de nenhum a comprometimento intermediário a perda completa2,3, com resultados biológicos variando de nenhum efeito observável a doença debilitante4,5,6. Embora muitos estudos históricos indiquem que a variação de aminoácidos pode desdobrar local ou globalmente a estrutura da proteína7,8, essas alterações normalmente não remodelam a estrutura secundária, como a conversão de α-hélices em folhas β. Essas descobertas suportam a observação bem estabelecida de que proteínas com sequências semelhantes têm dobras semelhantes e executam funções semelhantes. Por sua vez, essas semelhanças são usadas para classificar dobras de proteínas em famílias9,10,11 e fundamentam métodos de previsão de estrutura de proteína de última geração12,13,14.

No entanto, trabalhos recentes mostram que um subconjunto de alterações de aminoácidos pode alterar a estrutura secundária. Esse processo foi chamado de "metamorfose evolutiva15" e "troca de dobra evoluída16". Por exemplo, a mutação mais frequente associada ao linfoma não Hodgkin observada no fator intensificador de micócitos humanos 2 (MEF2) muda uma α-hélice C-terminal para uma fita β, provavelmente impedindo a função do MEF217. Além disso, numerosas mutações únicas desativam o relógio circadiano da cianobactéria, impedindo uma transformação que é crítica para sua função normal – a mudança de seu subdomínio C-terminal de uma dobra βααβ para uma dobra αββα18. Finalmente, para uma variante da proteína G modificada, uma única mutação ou incorporação em um domínio de proteína maior pode mudar o feixe de 3-α-hélice que liga a albumina do soro humano a outras dobras com funções alteradas, como uma dobra α/β-grasp que liga-se a imunoglobulinas ou a um domínio de proteína ribossomal α/β-plit19,20,21,22,23.

Esses exemplos sugerem que a troca de dobras evoluídas de estruturas secundárias, por meio de mudanças passo a passo de aminoácidos, pode ser um mecanismo pelo qual novas dobras de proteínas se originam na natureza. Se assim for, este mecanismo evolutivo deve ser identificável pela busca de sequências de proteínas homólogas com diferentes estruturas determinadas experimentalmente (Fig. 1a). Abordagens semelhantes identificaram com sucesso relações evolutivas entre famílias de dobras de proteínas com estruturas secundárias conservadas, mas diferentes arranjos terciários24,25.

a Consultar a sequência completa de FixJ (HTH4) contra o PDB com uma rodada de BLAST produziu uma correspondência significativa com KdpE (wH) completo. Notavelmente, em duas regiões, α-hélices determinadas experimentalmente alinhadas com folhas β. b Uma pesquisa PSI-BLAST subsequente confirmou uma provável relação evolutiva entre as sequências FixJ e KdpE de tamanho completo; estruturas completas são mostradas com NTDs conservados em cinza, ligantes em laranja, HTH4 CTD em preto e wH CTD em amarelo. O alinhamento PSI-BLAST resultante inclui o NTD e o CTD (começando onde a sequência KdpE está destacada em amarelo); aminoácidos em negrito são idênticos (preto) ou semelhantes (cinza), as regiões onde as α-hélices se alinham com as fitas β são rosa; as lacunas são indicadas como '-'. c Regiões de estrutura tridimensional (esquerda) e estrutura secundária (direita) onde PSI-BLAST alinha α-hélices na dobra HTH4 com sequências de fita β na dobra wH (rosa). As regiões cinzentas indicam estrutura secundária e terciária conservada; regiões bege no wH correspondem aos seus aminoácidos adicionais no alinhamento, indicados como espaços abertos na estrutura secundária alinhada de FixJ (à direita). Os dados de origem são fornecidos como um arquivo de dados de origem.