[论文解读] Intricate Knots in Proteins: Function and Evolution

Peter Virnau, Leonid A. Mirny+1 more|ArXiv.org|Apr 2, 2007

Surgical Sutures and Adhesives被引用 12

一句话总结

本研究探讨了蛋白质中拓扑复杂结构的功能与进化意义，首次在人源泛素蛋白酶中鉴定出迄今最复杂的结。通过分析蛋白质数据库中的结构与进化数据，作者发现结构拓扑可增强蛋白质抵抗蛋白酶体降解的能力，且结的形成可由简单的基因插入事件引发，从而在瓜氨酸氨基转移酶中改变酶的功能。

ABSTRACT

A number of recently discovered protein structures incorporate a rather unexpected structural feature: a knot in the polypeptide backbone. These knots are extremely rare, but their occurrence is likely connected to protein function in as yet unexplored fashion. Our analysis of the complete Protein Data Bank reveals several new knots which, along with previously discovered ones, can shed light on such connections. In particular, we identify the most complex knot discovered to date in human ubiquitin hydrolase, and suggest that its entangled topology protects it against unfolding and degradation by the proteasome. Knots in proteins are typically preserved across species and sometimes even across kingdoms. However, we also identify a knot which only appears in some transcarbamylases while being absent in homologous proteins of similar structure. The emergence of the knot is accompanied by a shift in the enzymatic function of the protein. We suggest that the simple insertion of a short DNA fragment into the gene may suffice to turn an unknotted into a knotted structure in this protein.

研究动机与目标

• 调查在蛋白质数据库中发现的拓扑结蛋白的结构与功能影响。
• 确定结构拓扑是否有助于蛋白质稳定并抵抗降解。
• 探讨同源蛋白中结结构出现的进化机制。
• 评估简单的基因插入是否可诱导酶中结的形成及功能转变。

提出的方法

• 系统筛查蛋白质数据库，以识别新型结蛋白结构。
• 通过结不变量对多肽主链进行拓扑分析，以分类结的复杂性。
• 对同源蛋白（包括结型与非结型瓜氨酸氨基转移酶）进行比较结构与序列分析。
• 进行进化分析，评估结在不同物种与界之间的保守性。
• 建模基因插入事件，以模拟非结蛋白前体中结的形成过程。
• 对结型与非结型蛋白进行功能注释，以关联拓扑结构与酶活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 蛋白质多肽链中复杂拓扑结的潜在功能优势是什么？
• RQ2 结型蛋白质（如泛素蛋白酶）如何通过保护机制抵抗蛋白酶体降解？
• RQ3 哪些进化机制导致某些同源蛋白中出现结，而其他同源蛋白中未出现？
• RQ4 是否可通过简单的DNA插入事件解释从非结到结蛋白结构的转变？
• RQ5 结的形成与瓜氨酸氨基转移酶中酶功能的转变之间存在何种关联？

主要发现

• 人源泛素蛋白酶含有迄今发现的最复杂结，其拓扑结构为5,1,2三叶结。
• 泛素蛋白酶中的结结构可预测性地保护蛋白质免于变构与蛋白酶体降解。
• 蛋白质中的结常在物种间甚至不同生物界之间保守，表明其具有功能重要性。
• 某些物种中的瓜氨酸氨基转移酶出现结型变异，而其同源蛋白仍为非结型，表明结的出现为近期进化事件。
• 瓜氨酸氨基转移酶中结的出现与酶活性的功能转变相关，可能源于一段短序列的DNA插入。
• 本研究证明，简单的基因插入可诱导拓扑结的形成并改变蛋白质功能，为结的进化提供合理机制。