Superfici proteiche fortuitamente compatibili hanno innescato il controllo allosterico nella fotoprotezione dei cianobatteri

Nature Ecology & Evolution volume 7, pagine 756–767 (2023)Citare questo articolo

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Le interazioni altamente specifiche tra le proteine ​​sono un prerequisito fondamentale per la vita, ma il modo in cui si evolvono rimane un problema irrisolto. In particolare, le interazioni tra proteine ​​inizialmente non correlate richiedono che evolvano superfici corrispondenti. Non è chiaro se tali compatibilità superficiali possano essere costruite solo mediante selezione in piccoli passaggi incrementali, o se possano emergere anche fortuitamente. Qui, abbiamo utilizzato la filogenetica molecolare, la ricostruzione di sequenze ancestrali e la caratterizzazione biofisica delle proteine ​​resuscitate per ripercorrere l'evoluzione di un'interazione allosterica tra due proteine ​​che agiscono nel sistema di fotoprotezione dei cianobatteri. Mostriamo che questa interazione tra la proteina carotenoide arancione (OCP) e il suo regolatore non correlato, la proteina di recupero della fluorescenza (FRP), si è evoluta quando un precursore della FRP è stato acquisito orizzontalmente dai cianobatteri. I precursori dell'FRP potrebbero già interagire e regolare l'OCP anche prima che queste proteine ​​si incontrassero per la prima volta in un cianobatterio ancestrale. L'interazione OCP-FRP sfrutta un'antica interfaccia dimerica nell'OCP, che precede anche il reclutamento di FRP nel sistema di fotoprotezione. Insieme, il nostro lavoro mostra come l’evoluzione possa facilmente creare sistemi normativi complessi a partire da componenti preesistenti.

Le interazioni allosteriche tra proteine ​​sono una forma onnipresente di regolazione biochimica in cui il sito attivo di una proteina è influenzato dal legame di un'altra proteina a un sito distale1. Il modo in cui si evolvono tali interazioni è un problema irrisolto nella biochimica evoluzionistica. Richiede che entrambe le proteine ​​(il regolatore e il bersaglio) evolvano un'interfaccia di corrispondenza così come qualche meccanismo che traduca il legame del regolatore in un cambiamento nel sito attivo della proteina bersaglio. Se tutti i residui che partecipano a questa interfaccia e al meccanismo di trasmissione dovessero evolversi de novo, la realizzazione di tale interazione richiederebbe diverse sostituzioni in entrambe le proteine. Poiché è molto improbabile che lunghe traiettorie genetiche che coinvolgono diverse sostituzioni in più proteine ​​vengano fissate da una deriva genetica casuale, si presume solitamente che le interazioni esistenti siano state costruite in passaggi mutazionali incrementali. Ogni passaggio aggiungerebbe un singolo residuo interagente e sarebbe portato alla fissazione dalla selezione naturale che agisce direttamente su una funzione associata all'interazione2. Tuttavia, in alcuni sistemi proteici, le interfacce o le vie allosteriche preesistevano fortuitamente in uno dei due partner3,4,5,6. Ciò indica che alcuni aspetti di queste interazioni sono nati per caso, che sono stati poi sfruttati da altre componenti sorte successivamente.

Non è chiaro fino a che punto sia necessaria la selezione diretta per modellare questi restanti componenti di un'interazione, come la superficie di interazione di un nuovo regolatore che sfrutta una superficie preesistente sul suo bersaglio. In linea di principio, queste caratteristiche potrebbero anche essere del tutto accidentali se inizialmente fissate per ragioni estranee all'interazione. In tutti i casi ben studiati non possiamo rispondere a questa domanda perché entrambi i componenti hanno avuto origine all'interno dello stesso genoma dove il bersaglio e il regolatore si sarebbero sempre incontrati, quindi la selezione potrebbe o meno aver agito per adattare il regolatore al suo nuovo bersaglio3, 4,5,6. Resta quindi sconosciuto se qualche interazione biologicamente significativa sia mai realmente nata per caso.

Qui, affrontiamo questo problema studiando l'evoluzione di un'interazione allosterica nel sistema di fotoprotezione dei cianobatteri7,8. Gli organismi fotoattivi devono proteggersi dall'elevata irradiazione luminosa che causa fotodanneggiamento. Nei cianobatteri, questa protezione è mediata dalla proteina carotenoide arancione (OCP)9,10, un sensore fotoattivo di intensità della luce con un carotenoide incorporato simmetricamente nei suoi due domini che è in grado di cambiare conformazione da arancione inattivo (OCPO) a rosso attivato stato (OCPR) in condizioni di illuminazione elevata11. L'OCPR attivato si lega al complesso dell'antenna di raccolta della luce dei cianobatteri, il ficobilisoma, per dissipare l'eccitazione in eccesso del ficobilisoma sotto forma di calore11,12. Due paraloghi dell'OCP (OCP2 e OCPx) possono staccarsi dal ficobilisoma e recuperare passivamente nell'OCPO al buio11,13. Tuttavia, il paralogo più comune OCP1 si basa su una regolazione allosterica per il fotorecupero: OCP1 interagisce con la proteina di recupero della fluorescenza (FRP), un piccolo regolatore dimerico che termina l'interazione con il ficobilisoma e accelera fortemente la retroconversione di OCPR nello stato arancione di riposo14,15 (Fig. 1a). Sebbene sia stata recentemente dimostrata la probabile evoluzione dell’OCP da precursori non fotocommutabili, non è ancora noto come l’FRP sia stato reclutato nel sistema di fotoprotezione cianobatterico come nuovo regolatore allosterico.