Stability-activity tradeoffs constrain the adaptive evolution of RubisCO

doi:10.1073/pnas.1310811111

.2014年2月11日；111(6):2223-8.

doi:10.1073/pnas.1310811111。 Epub 2014年1月27日。

稳定性-活性权衡限制了RubisCO的自适应进化

罗曼·A·斯塔德¹, 帕斯卡尔·安托琳·克里斯汀, 马克·威廉姆斯, 克里斯汀·奥伦戈

附属公司

PMID： 24469821
预防性维修识别码： PMC3926066型
内政部： 10.1073/pnas.1310811111

稳定性-活动权衡限制RubisCO的适应性进化

学生罗曼等。美国国家科学院程序. 2014.

.2014年2月11日；111(6):2223-8.

doi:10.1073/pnas.1310811111。 Epub 2014年1月27日。

作者

罗曼·A·斯塔德¹, 帕斯卡尔·安托琳·克里斯汀, 马克·威廉姆斯, 克里斯汀·奥伦戈

附属

¹英国伦敦WC1E 6BT伦敦大学学院生物科学系结构与分子生物学研究所。

PMID： 24469821
预防性维修识别码： PMC3926066型
内政部： 10.1073/pnas.1310811111

摘要

一个众所周知的进化适应案例是核酮糖-1,5-二磷酸羧化酶（RubisCO），一种在光合作用期间负责固定CO2的酶。尽管大多数植物使用祖先的C3光合作用途径，但许多开花植物进化出一种衍生的途径，称为C4光合作合作用。后者浓缩CO2，因此C4 RubisCOs对CO2的特异性较低，且周转较快。C4形式是由多分支的聚合进化产生的，在正选择下在少量位点发生取代。为了理解这些进化变化的物理约束，我们从大量相关C3和C4物种中重建了RubisCO的硅祖先序列和3D结构。我们能够精确跟踪它们过去的进化轨迹，识别系统发育每个分支上的突变，并评估其稳定性影响。我们表明，RubisCO的进化受到了稳定性与活性权衡的限制，这些权衡的特征与之前在实验室实验中确定的相似。C4性质需要几个祖先不稳定突变的子集，根据其在结构中的位置推断，这些突变主要涉及增强催化循环中开闭转变的构象灵活性。这些突变位于活性部位或亚单位间界面附近，但不在活性部位。C3到C4转变之前有一个持续的时期，在此期间，酶的稳定性增加，产生接受功能必需的不稳定突变的能力，紧接着是恢复全局稳定性的补偿性突变。

PubMed免责声明

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

数字

**图1。**
RubisCO十六进制结构。成对的大亚单位（蓝色和黄色）形成具有广泛界面的二聚体；其中四个二聚体形成一个八聚体环。分子间界面相对较小，通过八个连接二聚体的小亚基（薰衣草）的结合来稳定整体结构。(A类和B类)分别从侧面和顶部的表面视图。(C类)形成L的两条链_A类我_B类二聚体呈带状。每个二聚体形成两个活性位点，此处的上位点位于L的N末端结构域之间_A类和L的C端域_B类每个位点在基底结合上经历开放到闭合的结构转变。反应中间体类似物2-羧基枞醇-1,5-二磷酸在该结构中的每个位置都被结合（PDB代码：1WDD）。较大的C端结构域为每个活性位点贡献了大多数残基，但N端结构域对定位CO至关重要₂或O₂分子。(天)大亚基（L）中正选择的残基原子_B类)显示为球体。这些残基通常靠近亚单位界面。

**图2。**
突变对蛋白质稳定性的影响。(A类)大亚基的稳定性景观(*大亚基*). 在每个位置观察到的所有19种可能的突变*欧·萨提娃*结构（位置12–456）根据其相对于天然残留物的稳定性在垂直条上着色。活性部位的残留物用黑条表示。ΔΔG的阈值_折叠以kcal/mol计，高稳定（<-1.84）、稳定（-1.84至-0.92）、轻度稳定（-0.92至-0.46）、中性（-0.46至+0.46）、轻度不稳定（+0.46至+0.92）、不稳定（+0.92至+1.84）和高度不稳定（>+1.84。垂直条基本为灰色或蓝色的位置预计可以耐受突变，而大部分为红色的位置则不能耐受突变。自然界中极不可能发生高度不稳定的突变。(B类)相对于*O.sativa红细胞*顺序。在单核物种中，肽链444个对齐残基的105个位置具有交替氨基酸。绝大多数观察到的突变（79.5%）在-1.84至+1.84 kcal/mol的范围内有适度的稳定性变化。

**图3。**
可能突变和进化过程中发生的突变的稳定性影响的分布。重构祖先序列（实线）进化历史中观察到的突变引起的稳定性变化的分布与所有可能的模拟突变（虚线）形成对比。这两种分布的最大峰值都接近于零的ΔΔG。观察到的突变有超过轻微稳定的观察到的变异，也有一个明显的轻微不稳定和不稳定值峰值，集中在+0.88 kcal/mol。大多数可能的突变高度不稳定，在进化过程中很少发生。这里显示的概率分布是通过原始数据的核平滑得到的(图S1).

**图4。**
祖先突变的稳定性效应和位置。进化过程中发生的751个突变在A类按其选择约束：负选择还是中性进化(*P（P）*>错误发现率修正后TDG09中0.05），阳性选择（0.01<*P（P）*<0.05），以及积极选择的有力证据(*P（P）*<0.01），并根据其稳定性效果进行分类。(B类)突变分为其分支类型（C_三→C类_三，C_三→C类₄，或C₄→C类₄)并因其稳定性效应而受到限制。(C类)根据参考文献和图S2：Intra仅与相同大亚单位的其他残基接触，LL1残基与相同二聚体的其他大亚单位接触（例如，L_A类我_B类界面），LL2和LL3接触另一个二聚体（例如L_B类我_C类和L_B类我_天和LS都是仅与任何小亚单位接触的残基。(天)突变被分离成其分支类型，并装箱到其接触界面中。类别在丰富时以*突出显示，在枯竭时以“o”突出显示。

**图5。**
通过进化改变稳定性。(A类)相对于C的进化分支位置，每类稳定性的突变频率_三→C类₄过渡。在过渡之前，有很长一段时间积累了轻微稳定的突变，在此期间发生了大量不稳定和轻微不稳定的突变。在过渡后的分支中，有一个明显的代偿稳定或轻微稳定突变的峰值。稳定性类别如图2所示。(B类)C附近稳定性的累计平均净变化_三→C类₄过渡。(C类)所有稳定突变和所有不稳定突变对稳定性的相应累积平均贡献（后者被−5 kcal/mol抵消，以便于比较）。

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