蛋白质-蛋白质相互作用的结构发生（即这些相互作用是如何在生物体内随着发育过程而变化的）

《SCIENCE》：Structural ontogeny of protein-protein interactions

研究通过合成共进化设计新蛋白质界面，发现自然结合位点存在深势阱和固定结构，而“沉默”表面因进化反选择导致浅势阱和多种结合模式，为靶向不可成药蛋白提供新思路。

　　

编辑总结

蛋白质结构研究中的一个长期挑战是理解蛋白质表面如何与其他蛋白质相互作用，最终目标是预测和设计这样的表面。然而，我们仍然不完全了解进化是如何塑造这些相互作用的。Yang等人利用人工蛋白质对的合成共进化来探索蛋白质-蛋白质结合位点的形成和演化过程。他们发现了在非常早期阶段就存在的“种子接触点”，这些接触点在结合对共进化过程中可能会沿着不同的路径发展。天然界面表面似乎已经预先组织好，能够快速演化出支持新伴侣蛋白质结合的深能量井。这些见解对于设计合成蛋白质结合剂非常重要，也可能解释为什么抗体和肽经常与天然蛋白质结合界面发生相互作用。——Michael A. Funk

结构化摘要

引言

蛋白质如何启动并演化与其他蛋白质的相互作用以形成结合位点和蛋白质-蛋白质界面仍然知之甚少。然而，蛋白质表面似乎具有一些独特的性质，这些性质使得它们能够形成蛋白质-蛋白质界面，而那些不相互作用的蛋白质表面则不具备这些性质。天然蛋白质结合位点通常是给定蛋白质上最“可药物化”的位点，并且往往会吸引来自组合肽库或抗体库中的大多数结合剂。是否存在某些生物物理特性，能够区分那些尚未演化出配体结合能力的蛋白质表面区域与天然结合位点？这个问题对药物发现具有重要意义。

研究理由

在这项研究中，我们探讨了那些已经演化出与其他蛋白质结合能力的蛋白质表面与那些没有这种能力的表面之间是否存在根本性的差异。为此，我们通过设计完全没有配体识别历史且通常不相互作用的蛋白质“沉默”表面之间的全新界面，来进行了一种合成的蛋白质-蛋白质共进化模拟。我们通过实验模拟并计算分析了蛋白质-蛋白质相互作用最初的形成过程以及随后特异性和亲和力的共同演化过程。这种合成的蛋白质共进化模拟也使我们能够更好地理解天然结合位点与非天然结合位点之间的差异。

结果

通过使用合成共进化平台来设计不受天然结合印记影响的蛋白质表面之间的相互作用，我们捕捉到了以前未见过的蛋白质复合物形成过程。我们发现，那些已经自然演化出与其他蛋白质结合能力的表面所形成的复合物，在表观遗传效应和结构适应性方面，与那些不具结合能力的表面形成的复合物存在差异。重新塑造由天然表面形成的界面可以产生具有独特特异性的高亲和力结合体，但其对接模式仍保持在一个深能量井中。选择由“沉默”蛋白质表面介导的全新界面也能产生具有独特特异性的结合体，但这些结合体是通过一系列低亲和力的、类似棘轮机制的对接模式在浅能量井中实现的，这表明同一界面内部具有显著的塑性。为了理解新界面的形成机制，我们基于机器学习估计的适应度函数模拟了进化轨迹，并结合表观遗传效应分析，发现了在演化路径的最早阶段起启动作用的表面残基。我们的实验数据提出了一个假设：那些已经演化出与其他蛋白质结合能力的蛋白质表面具有有利于配体结合的固有生物物理特性，而其他蛋白质区域则可能在进化过程中被选择性地淘汰，以避免相互作用。

结论

我们的蛋白质-蛋白质共进化平台表明，已经演化出与其他蛋白质结合能力的蛋白质表面与那些没有这种能力的蛋白质表面之间存在差异。实际上，在所研究的系统中，那些没有进化结合印记的蛋白质表面所形成的复合物在能量适应度和亲和力方面存在限制。这些数据解释了为什么天然结合位点能够吸引结合剂：其他表面具有较浅的能量景观，这不利于紧密结合，可能是由于进化过程中的选择压力所致。这可能部分解释了为什么存在“不可药物化”的蛋白质表面，并促使人们提出新的基于生物物理学的策略来克服这一障碍。

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示意图展示了通过苯丙氨酸残基之间的“种子接触”介导的蛋白质-蛋白质复合物的初始相遇过程，这种接触通过表观遗传效应逐步发展为完整的蛋白质-蛋白质界面。

图例来源：ERIC SMITH 和 CHRIS GARCIA

摘要

理解蛋白质结合位点如何演化与其他蛋白质的相互作用可能为针对“不可药物化”表面提供线索。我们利用合成共进化技术设计了新的蛋白质表面之间的相互作用，模拟了蛋白质复合物的从头形成过程。我们分离出了七种不同的蛋白质Z结构域复合物家族，并发现合成复合物通过类似棘轮机制的对接模式探索多个浅能量井，而由天然结合位点形成的复合物则集中在一个具有相对固定几何结构的深能量井中。通过对机器学习估计的适应度景观进行表观遗传效应分析，我们发现了结合伙伴之间的“种子”接触点，这些接触点锚定了复合物形成的最初阶段。我们的结果表明，“沉默”表面的能量景观比天然结合位点更平坦，这不利于紧密结合，这可能是由于进化过程中的选择压力所致。