Superfícies de proteínas fortuitamente compatíveis preparadas para controle alostérico na fotoproteção de cianobactérias

May 20, 2023

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

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Interações altamente específicas entre proteínas são um pré-requisito fundamental para a vida, mas como elas evoluem permanece um problema não resolvido. Em particular, as interações entre proteínas inicialmente não relacionadas requerem que elas evoluam superfícies correspondentes. Não está claro se tais compatibilidades de superfície só podem ser construídas por seleção em pequenos passos incrementais, ou se também podem surgir fortuitamente. Aqui, usamos filogenética molecular, reconstrução de sequência ancestral e caracterização biofísica de proteínas ressuscitadas para retraçar a evolução de uma interação alostérica entre duas proteínas que atuam no sistema de fotoproteção de cianobactérias. Mostramos que essa 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 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, nosso trabalho mostra como a evolução pode moldar sistemas regulatórios complexos facilmente 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 dessa interface e do mecanismo de transmissão tiverem que evoluir de novo, a construção dessa interação exigiria várias 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, as interações existentes são geralmente consideradas como tendo sido construídas em etapas mutacionais incrementais. Cada etapa acrescentaria um único resíduo interagente e seria levada à fixação pela seleção natural atuando diretamente em uma função associada à interação2. Entretanto, em alguns sistemas proteicos, interfaces ou vias alostéricas preexistiam fortuitamente em um dos dois parceiros3,4,5,6. Isso indica que alguns aspectos dessas interações surgiram por acaso, que foram explorados por outros componentes que surgiram posteriormente.

Ainda não está claro até que ponto a seleção direta é necessária para moldar esses componentes remanescentes de uma interação, como a superfície de interação de um novo regulador que explora uma superfície pré-existente em seu alvo. Em princípio, esses recursos também podem ser totalmente acidentais se forem inicialmente corrigidos por motivos não relacionados à interação. Em todos os casos bem estudados, não podemos responder a essa pergunta porque ambos os componentes se originaram do mesmo genoma onde o alvo e o regulador sempre se encontraram, então a seleção pode ou não ter agido para adaptar o regulador ao seu novo alvo3, 4,5,6. Se alguma interação biologicamente significativa realmente surgiu por acaso, portanto, permanece desconhecido.

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 de luz causando fotodano. 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, capaz de mudar a conformação de um laranja inativo (OCPO) para um 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 calor11,12. Dois parálogos OCP (OCP2 e OCPx) podem se desprender do ficobilissoma e se recuperar em OCPO passivamente no escuro11,13. No entanto, o parálogo mais comum OCP1 depende de uma regulação alostérica para fotorrecuperação: OCP1 interage com a proteína de recuperação de fluorescência (FRP), um pequeno regulador dimérico que encerra a interação com o ficobilissoma e acelera fortemente a conversão reversa de OCPR para o estado de repouso laranja14,15 (Fig. 1a). Embora a provável evolução do OCP a partir de precursores não fotocomutáveis ​​tenha sido recentemente demonstrada16, ainda não se sabe como o FRP foi recrutado para o sistema de fotoproteção de cianobactérias como um novo regulador alostérico.