编辑推荐：
碳水化合物结合蛋白中的聚集-prone区域（APR）与功能APR（fAPR）的共存及其与致病突变的关系
S. Lekshmi|N.R. Siva Shanmugam|R. Prabakaran|P. Rawat|M. Michael Gromiha
印度理工学院Bhupat和Jyoti Mehta生物科学学院生物技术系，金奈600036，印度
摘要
碳水化合物与蛋白质之间的相互作用在多种细胞过程中起着关键作用，包括细胞粘附、免疫反应、代谢和细胞信号传导。实验研究表明，具有聚集倾向的肽具有结合碳水化合物的能力，这引发了这样一个问题：蛋白质中的聚集倾向区域（APRs）是否也具有类似的能力。在这项研究中，我们对一组精心挑选的蛋白质-碳水化合物复合物中的APRs进行了系统分析，考察了它们在蛋白质序列和结构水平上与碳水化合物结合残基的对应关系。我们发现，结合碳水化合物的蛋白质中APRs的含量较高，其中40%的碳水化合物结合残基具有聚集倾向。这表明APRs可以在碳水化合物结合位点被容忍，与通常认为的溶剂暴露的APRs会破坏蛋白质稳态的观点相反。此外，即使不重叠的APRs也存在于碳水化合物结合位点的空间邻近区域，并参与可能有助于功能相互作用的残基间接触。值得注意的是，我们观察到这些功能性APRs（fAPRs，即能够结合碳水化合物的APRs部分）富含促进碳水化合物结合的芳香族残基。我们发现，在fAPRs中，聚集倾向和碳水化合物结合亲和力之间没有相关性，这表明聚集和碳水化合物结合可以独立调节。有趣的是，85%的人类fAPRs至少携带一个被预测为“可能致病”的突变，这突显了它们在预测突变效应方面的重要性。这项研究揭示了fAPRs作为功能关键位点，这些位点经常携带与疾病相关的突变。
引言
碳水化合物是通过与蛋白质的特异性相互作用来介导多种细胞功能的重要生物分子。蛋白质-碳水化合物相互作用在细胞-细胞粘附[5]、信号转导[59]和免疫调节[45]等过程中起着关键作用。这些相互作用通常通过非共价作用实现，包括富含羟基的碳水化合物配体与蛋白质结合口袋内的极性或芳香族残基之间的氢键和CH-π相互作用[63]。尽管蛋白质-碳水化合物相互作用的结合亲和力较弱[31]，但由于突变导致的这些相互作用中断已被证实与多种疾病有关。例如，EPM2A基因编码的磷酸酶laforin的碳水化合物结合域中的突变会破坏其结合糖原的能力，从而导致神经退行性疾病Lafora病[73]。同样，α-半乳糖苷酶A（GLA）活性位点周围的错义变异与Fabry病和不同的心血管表型有关[19]。CarbDisMut数据库[56]记录了人类碳水化合物结合蛋白中的几种此类疾病相关和中性突变。
蛋白质聚集发生在错误折叠的蛋白质积累成无定形聚集体或高度有序的淀粉样纤维时。这些由β-折叠片层丰富的交叉β结构定义的纤维是许多疾病的特征[13]。蛋白质聚集是由称为聚集倾向区域（APRs）的短线性氨基酸片段驱动的，这些区域通常富含疏水残基[17]。已经开发出多种策略，包括实验方法和计算预测，来识别APRs[11]、[43]、[48]。聚集通常与神经退行性疾病[55]、2型糖尿病[34]、白内障[34]和轻链淀粉样变性[1]等病理状态相关。淀粉样蛋白还参与功能性作用（例如，黑色素细胞蛋白Pmel17在人类中作为黑色素合成的支架），并且超过30种肽类激素以淀粉样形式储存在分泌颗粒中[28]、[36]。APRs能够驱动蛋白质自组装成淀粉样蛋白，其特征是β-折叠片的堆叠，这为纳米生物技术应用打开了大门，其中这些稳定的超分子结构可作为纳米材料的坚固支架[28]。
虽然APRs通常与聚集相关，但它们也可以为蛋白质的局部结构稳定性做出贡献[66]。与此一致的是，已有报道显示APRs位于催化位点[3]和其他人类蛋白质组中的功能位点附近[47]、[48]。有趣的是，关于聚集肽的实验研究表明，碳水化合物与这些肽的结合可以抑制或促进它们的聚集。肝素是一种具有药用应用的糖胺聚糖（GAG），它表现出相反的效果：抑制与透析相关淀粉样变性相关的β2-微球蛋白的纤维化[61]，同时促进与阿尔茨海默病[40]相关的Aβ-42纤维的形成。半乳糖胺-色氨酸结合物已被证明可以抑制人胰岛淀粉样多肽（hIAPP）和Aβ-42的纤维形成[44]。另一个例子是，由海藻糖和蔗糖组成的纳米颗粒，由于暴露的羟基团，可能通过静电排斥在成核阶段防止Aβ-40的聚集[2]。这些观察结果表明，碳水化合物结合蛋白中可能存在结合碳水化合物和促进聚集的特性共存。例如，已知堆叠相互作用既有助于碳水化合物结合[30]，也有助于蛋白质聚集[14]、[49]。相反，碳水化合物结合界面通常较浅[75]且暴露于溶剂中，与APRs不同。然而，目前还没有系统性的比较分析来确定控制碳水化合物结合和聚集的序列和结构决定因素。
在这项研究中，我们在一组精心挑选的蛋白质-碳水化合物复合物中识别了APRs和碳水化合物结合位点，研究了APRs和碳水化合物结合位点是否共存，并分析了控制这种共存的序列和结构特征。随后，我们识别出一类位于碳水化合物结合位点的APRs，称为功能性APRs（fAPRs），它们具有较高的聚集倾向，并富含促进CH-π相互作用的芳香族氨基酸。为了了解APRs是否能在碳水化合物结合位点附近被容忍，我们绘制了它们在结合位点周围的空间分布图。有趣的是，我们观察到即使不在结合位点上的APRs，在空间上也更接近碳水化合物结合位点。我们还发现，长连续的fAPR片段有利于淀粉样纤维的形成。此外，我们研究了fAPR突变对结合亲和力、聚集倾向和致病性的影响，从而提供了关于蛋白质聚集和碳水化合物结合位点之间功能和病理关系的见解。
数据集
我们从Shanmugam等人[57]那里获得了一个经过筛选的非冗余数据集，其中包含1129个蛋白质-碳水化合物复合物。该数据集中的碳水化合物结合蛋白链是通过与蛋白质数据库（PDB）中的序列一致性阈值（25%）筛选得到的。我们移除了过时的PDB条目和含有非标准氨基酸的结构。最终数据集包含1119个碳水化合物结合蛋白链，详见补充表S1。
结果与讨论
在这项研究中，我们通过生物信息学分析序列和结构特征，研究了蛋白质-碳水化合物复合物中聚集倾向区域（APRs）和碳水化合物结合残基（BRs）的共存情况以及相关疾病风险。分析工作流程的概览见图1。
结论
在这项研究中，我们通过整合序列和结构特征分析了碳水化合物结合蛋白链中的聚集倾向区域（APRs）。我们的发现表明，APRs倾向于位于碳水化合物结合位点附近，这暗示了它们在稳定这些功能区域方面可能具有结构作用。我们识别出了能够同时参与碳水化合物识别并表现出聚集倾向的功能性APRs（fAPRs）。
CRediT作者贡献声明
S. Lekshmi：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，软件开发，方法学研究，数据分析。N.R. Siva Shanmugam：撰写 – 审稿与编辑，方法学研究，实验研究。R. Prabakaran：撰写 – 审稿与编辑，验证，方法学研究。P. Rawat：撰写 – 审稿与编辑，实验研究。M. Michael Gromiha：撰写 – 审稿与编辑，监督，资源管理，项目协调，资金获取，概念构思。
致谢
我们感谢印度理工学院马德拉斯分校生物技术系的计算设施。我们也感谢PBI实验室成员提供的有益建议和讨论。这项工作部分得到了印度政府生物技术部的支持（项目编号：BT/PR39164/BID/7/965/2020，日期：2024年1月25日）。
