責編 | 酶美
大家通常認為如果給定一段氨基酸序列就可以確定其摺疊的唯一蛋白質構型。但是變形蛋白（metamorphic protein）與這個常識不符，它們可以在數秒鐘在不同構型中進行可逆的切換，從而實現不同的功能【1】。別構蛋白可以透過與特定分子的結合來改變其三級結構，構型改變的範圍相對較小。而變形蛋白的構型改變範圍相當大，其中包括二級結構和氫鍵連線的網路結構劇烈變化【2】。經驗表明，變形蛋白可佔的蛋白質資料庫的4%，然而目前科學家只對其中6個變形蛋白的研究較為深入，至於變形蛋白如何演化而來，如何獲得變形能力知之甚少。
近日，來自威斯康辛醫學院的Brian F. Volkman研究組在Science上發表題為Evolution of fold switching in a metamorphic protein的文章，作者使用系統發生樹重建和核磁共振技術，詳細研究了人體中的變形蛋白XCL1如何從常見的趨化因子家族演化而來。研究顯示XCL1中一個蛋白二聚體介面可以改變蛋白質中的結構約束和分子應變，再聯合蛋白質分子內部接觸的變化從而使得蛋白質獲得變形能力。作者解釋了蛋白質如何透過演化將多種結構編碼到一段基因序列中從而實現不同功能，對於蛋白質工程設計有著巨大的意義。
如圖1所示，人體的趨化因子XCL1 (淋巴肌動蛋白)可以完全改變其氫鍵連線的網路結構，並且兩種結構可直接互相轉換。它是人體46種趨化因子之一，分子量雖小但作用大，能誘導附近免疫細胞定向趨化。非XCL1的趨化因子有螺旋狀的α結構和風琴狀的β結構兩種摺疊方式（圖1左），而XCL1除此之外，還可摺疊成一個兩個β結構的蛋白質二聚體（圖1右）。非XCL1的趨化因子用同一種結構實現兩種功能，而XCL1把這兩種功能分為兩種摺疊方式來實現：當XCL1為趨化因子構型時可成為同源G蛋白偶聯受體;當為另外一種備用構型時，它可以結合糖胺聚糖【3】。非XCL1的趨化因明明可以用一種結構實現這兩種功能，但是為什麼偏偏XCL1要演化出兩種結構來分別實現？它又是怎樣獲得變形功能的？
圖1 XCL1的兩種構象
為回答這一系列問題，作者對來自於30種脊椎動物的457種趨化因子的基因序列進行比對，重建祖先狀態來推斷現代的XCL1的演化樹【4】，見圖2。演化樹顯示與XCL1親緣最近的趨化因子是CCL20。透過最大似然法推斷出它們的共同祖先Anc.0的基因序列，然後作者再合成Anc.0。經過核磁共振解析它的結構，與XCL1進行比對，儘管Anc.0與XCL1只有40%的基因重疊，但是它們在趨化因子構型下的結構非常類似，這說明變形蛋白是由單態蛋白演化而來。然後，再比對XCL1與Anc.0和非XCL1趨化因子，發現XC1在演化過程中丟掉一個二硫化物，以此確立演化路徑Anc.1和Anc.2。但是合成的Anc.2仍然是單態蛋白，說明缺失一個硫化物並不能保證其具有可變性。根據這一資訊推斷還需要兩步演化步驟Anc.3和Anc.4。之後核磁共振發現Anc.3和Anc.4具有變形性質，但是自然狀態下XCL1可隨機呈現出兩種構型，即比例為1:1，而Anc.3和Anc.4雖然可變形但是過於偏向備用結構，趨化因子結構分別僅佔3.7%和9.7%。
圖2 XCL進化演變
緊接著，作者詳細比對從Anc.1到XCL1的演化過程中的結構變化。首先從Anc.1到Anc.2，缺失了一個二硫化物，二硫鍵是穩定的共價鍵，失去二硫化物會大大降低蛋白質的結構穩定性，但仍不足以變形。隨後是比對Anc.2和Anc.3，在這個步驟Anc.3獲得了變形能力。經過結構和基因序列的比對，發現突變主要發生在備用結構形成的二聚體的介面上，介面上的3個位點由帶電或者極化位點變為脂族側鏈，從而獲得更高的結構靈活性，而剩下的二聚體介面位點更容易與這3個位點進行結合，造成應力，使之不再穩定在趨化因子結構。最後是比對Anc.3，Anc.4和XCL1,發現只有一個位點不同，該位點透過影響殘基之間的相互作用來控制蛋白質在兩種構型的分佈比例。
最後，作者回答了為什麼演化傾向於選擇變形蛋白XCL1。原因非XCL1的趨化因子需要轉錄翻譯多種基因以及降解抑制多種蛋白來開啟關閉不同功能；而XCL1僅需要調整兩種結構的比例就可進行快速的動態控制，從而在自然選擇中取得更大的優勢【5】。
綜上所述，作者透過建立演化樹和核磁共振解析蛋白質結構的方法，嚴謹地分析了變形蛋白質XCL1的演化起源，路徑和機制，為如何設計蛋白質來實現不同結構和功能提供了新思路。
原文連結：
https://science.sciencemag.org/cgi/doi/10.1126/science.abd8700
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參考文獻
1. Murzin, Alexey G. "Metamorphic proteins." Science 320.5884 (2008): 1725-1726.
2. Kuloǧlu, E. Sonay, et al. "Monomeric solution structure of the prototypical ‘C'chemokine lymphotactin." Biochemistry 40.42 (2001): 12486-12496.
3. Nevins, Amanda M., et al. "A requirement for metamorphic interconversion in the antimicrobial activity of chemokine XCL1." Biochemistry 55.27 (2016): 3784-3793.
4. Yang, Ziheng, Sudhir Kumar, and Masatoshi Nei. "A new method of inference of ancestral nucleotide and amino acid sequences." Genetics 141.4 (1995): 1641-1650.
5. Lattman, Eaton E., and George D. Rose. "Protein folding--what's the question?." Proceedings of the National Academy of Sciences 90.2 (1993): 439-441.