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Jul 19, 2023

Des surfaces protéiques fortuitement compatibles ont amorcé le contrôle allostérique dans la photoprotection cyanobactérienne

Nature Ecology & Evolution volume 7, pages 756-767 (2023)Citer cet article 3769 Accès 2 Citations 136 Détails des métriques Altmetric Les interactions hautement spécifiques entre les protéines sont un élément fondamental

Nature Ecology & Evolution volume 7, pages 756–767 (2023)Citer cet article

3769 Accès

2 citations

136 Altmétrique

Détails des métriques

Des interactions hautement spécifiques entre protéines sont une condition préalable fondamentale à la vie, mais la manière dont elles évoluent reste un problème non résolu. En particulier, les interactions entre protéines initialement non apparentées nécessitent qu’elles évoluent sur des surfaces correspondantes. Il n’est pas clair si de telles compatibilités de surface ne peuvent être construites que par sélection par petites étapes progressives, ou si elles peuvent également émerger par hasard. Ici, nous avons utilisé la phylogénétique moléculaire, la reconstruction de séquences ancestrales et la caractérisation biophysique de protéines ressuscitées pour retracer l'évolution d'une interaction allostérique entre deux protéines agissant dans le système de photoprotection cyanobactérien. Nous montrons que cette interaction entre la protéine caroténoïde orange (OCP) et son régulateur indépendant, la protéine de récupération de fluorescence (FRP), a évolué lorsqu'un précurseur de la FRP a été acquis horizontalement par les cyanobactéries. Les précurseurs du FRP pourraient déjà interagir avec l'OCP et le réguler avant même que ces protéines ne se rencontrent pour la première fois dans une cyanobactérie ancestrale. L'interaction OCP-FRP exploite une ancienne interface dimère dans OCP, qui est également antérieure au recrutement de FRP dans le système de photoprotection. Ensemble, nos travaux montrent comment l’évolution peut facilement façonner des systèmes de réglementation complexes à partir de composants préexistants.

Les interactions allostériques entre protéines constituent une forme omniprésente de régulation biochimique dans laquelle le site actif d'une protéine est affecté par la liaison d'une autre protéine à un site distal1. La manière dont de telles interactions évoluent est un problème non résolu en biochimie évolutive. Cela nécessite que les deux protéines (le régulateur et la cible) développent une interface correspondante ainsi qu'un mécanisme qui traduit la liaison du régulateur en un changement au niveau du site actif de la protéine cible. Si tous les résidus participant à cette interface et au mécanisme de transmission devaient évoluer de novo, la construction d’une telle interaction nécessiterait plusieurs substitutions dans les deux protéines. Étant donné qu’il est très peu probable que de longues trajectoires génétiques impliquant plusieurs substitutions dans plusieurs protéines soient corrigées par une dérive génétique aléatoire, les interactions existantes sont généralement supposées avoir été construites par étapes mutationnelles incrémentielles. Chaque étape ajouterait un seul résidu en interaction et serait conduite à la fixation par la sélection naturelle agissant directement sur une fonction associée à l'interaction2. Cependant, dans quelques systèmes protéiques, des interfaces ou des voies allostériques préexistaient fortuitement chez l'un des deux partenaires3,4,5,6. Cela indique que certains aspects de ces interactions sont apparus par hasard, qui ont ensuite été exploités par d’autres composants apparus plus tard.

On ne sait toujours pas dans quelle mesure la sélection directe est nécessaire pour façonner ces composants restants d'une interaction, comme la surface d'interaction d'un nouveau régulateur qui exploite une surface préexistante sur sa cible. En principe, ces fonctionnalités pourraient également être entièrement accidentelles si elles étaient initialement corrigées pour des raisons indépendantes de l’interaction. Dans tous les cas bien étudiés, nous ne pouvons pas répondre à cette question car les deux composants proviennent du même génome où la cible et le régulateur se seraient toujours rencontrés, donc la sélection peut ou non avoir agi pour adapter le régulateur à sa nouvelle cible3, 4,5,6. On ne sait donc pas si une interaction biologiquement significative est réellement survenue par hasard.

Ici, nous abordons ce problème en étudiant l’évolution d’une interaction allostérique dans le système de photoprotection cyanobactérien7,8. Les organismes photoactifs doivent se protéger des fortes irradiations lumineuses provoquant des photodommages. Chez les cyanobactéries, cette protection est médiée par la protéine caroténoïde orange (OCP)9,10, un capteur photoactif d'intensité lumineuse avec un caroténoïde intégré symétriquement dans ses deux domaines qui est capable de passer d'une conformation orange inactive (OCPO) à une conformation rouge activée. état (OCPR) dans des conditions de forte luminosité11. L’OCPR activé se lie au complexe d’antennes cyanobactériennes récoltant la lumière, le phycobilisome, pour dissiper l’excitation excessive du phycobilisome sous forme de chaleur11,12. Deux paralogues d'OCP (OCP2 et OCPx) peuvent se détacher du phycobilisome et se rétablir passivement dans l'OCPO dans l'obscurité 11,13. Cependant, le paralogue le plus courant, OCP1, repose sur une régulation allostérique pour la photo-récupération : OCP1 interagit avec la protéine de récupération de fluorescence (FRP), un petit régulateur dimère qui met fin à l'interaction avec le phycobilisome et accélère fortement la rétroconversion de l'OCPR. dans l'état orange au repos14,15 (Fig. 1a). Bien que l'évolution probable de l'OCP à partir de précurseurs non photo-commutables ait été récemment démontrée16, on ne sait pas encore comment le FRP a été recruté dans le système de photoprotection des cyanobactéries en tant que nouveau régulateur allostérique.