HASスーパーファミリーの進化ゲノミクス：ホスホエステラーゼと連合酵素のスーパーファミリーにおける構造的適応と触媒の多様性を理解する

HAS（ハロ酸デハロゲナーゼ）スーパーファミリーには、ホスホエステラーゼ、ATPase、ホスホナターゼ、デハロゲナーゼ、および極度に多様な基質のセットに作用するシュガーホスホムターゼが含まれます。HASスーパーファミリーの多様な枝に属する代表者の多数の結晶構造の利用可能性は、進化の歴史を再構築し、構造と機能の多様化につながった主要な決定要因を明らかにするユニークな機会を提供します。この目的のために、私たちは、独自の構造的特徴を識別し、スーパーファミリー全体の詳細な分類を提供するHASスーパーファミリーの包括的な分析を提示します。最高レベルでは、スーパーファミリーが他のいくつかのスーパーファミリー、すなわちDHH、レシーバー（Cheyのような）、フォンウィルブランドA、トップリム、古典ヒストン脱アセチルゼ、ピン/フラップヌクレアーゼドメインと統一されていたことを示します。ロスマンノイドのフォールドの形。これらのロスマンノイドの折り畳みは、中央シートの最初のコアベータ鎖の端にあるものを含む、同等に配置された酸性触媒残基の存在によって他の巻と区別されます。HASドメインは、これらの関連するロスマンノイドの折り目から、「波状」（単一のらせんターン）と「フラップ」（ベータヘアピンモチーフ）という2つの重要な構造的な署名によって区別されます。折り畳み。SquiggleとFlapモチーフは、これらの酵素に必要な可動性を提供して、「開いた」立体構造と「閉じた」立体構造を交互に提供すると予測されています。さらに、hasスーパーファミリーのほとんどのメンバーには、コアロスマンノイドフォールドの2つの位置のいずれかで発生するキャップと呼ばれるインサートが含まれています。CAPモジュールが、進化の複数の機会にこれら2つのステレオタイプの位置に独立して挿入されており、コア触媒ドメインとは無関係に広範な進化の多様化を表示していることを示しています。CAPSの最初のグループであるC1 CAPSは、フラップモチーフに直接挿入され、活性部位への反応物のアクセスを調節します。2番目のグループであるC2キャップは、アクティブサイトに屋根を形成し、内部空洞へのアクセスは、フラップの動きによって部分的に規制される可能性があります。CAPモジュールの多様化は、このスーパーファミリーの進化の過程で、広大な基質空間の調査における主要な要因でした。私たちは、スーパーファミリーには、3つのスーパーキングダムに分配された33の主要な家族が含まれていることを示しています。系統パターンの分析は、少なくとも5つの異なるタンパク質がすべての現存する生物の最後の普遍的な共通祖先（LUCA）に追跡可能であることを示唆しています。これらのプロトタイプはルカの出現前に分岐しましたが、基質特異性と反応タイプの両方の主要な多様化は、主に細菌の3つのスーパーキングドダムの放射線の後に発生しました。ほとんどの主要な多様化イベントは、特に細菌の炭水化物代謝の精巧さに関連する新しい代謝能力の獲得と相関しているようです。ここで提供された新たに特定された関係と機能的予測は、この酵素のこの大規模なスーパーファミリーの多くの不十分に理解されているメンバーの将来の探求を支援する可能性があります。

The HAD (haloacid dehalogenase) superfamily includes phosphoesterases, ATPases, phosphonatases, dehalogenases, and sugar phosphomutases acting on a remarkably diverse set of substrates. The availability of numerous crystal structures of representatives belonging to diverse branches of the HAD superfamily provides us with a unique opportunity to reconstruct their evolutionary history and uncover the principal determinants that led to their diversification of structure and function. To this end we present a comprehensive analysis of the HAD superfamily that identifies their unique structural features and provides a detailed classification of the entire superfamily. We show that at the highest level the HAD superfamily is unified with several other superfamilies, namely the DHH, receiver (CheY-like), von Willebrand A, TOPRIM, classical histone deacetylases and PIN/FLAP nuclease domains, all of which contain a specific form of the Rossmannoid fold. These Rossmannoid folds are distinguished from others by the presence of equivalently placed acidic catalytic residues, including one at the end of the first core beta-strand of the central sheet. The HAD domain is distinguished from these related Rossmannoid folds by two key structural signatures, a "squiggle" (a single helical turn) and a "flap" (a beta hairpin motif) located immediately downstream of the first beta-strand of their core Rossmanoid fold. The squiggle and the flap motifs are predicted to provide the necessary mobility to these enzymes for them to alternate between the "open" and "closed" conformations. In addition, most members of the HAD superfamily contains inserts, termed caps, occurring at either of two positions in the core Rossmannoid fold. We show that the cap modules have been independently inserted into these two stereotypic positions on multiple occasions in evolution and display extensive evolutionary diversification independent of the core catalytic domain. The first group of caps, the C1 caps, is directly inserted into the flap motif and regulates access of reactants to the active site. The second group, the C2 caps, forms a roof over the active site, and access to their internal cavities might be in part regulated by the movement of the flap. The diversification of the cap module was a major factor in the exploration of a vast substrate space in the course of the evolution of this superfamily. We show that the HAD superfamily contains 33 major families distributed across the three superkingdoms of life. Analysis of the phyletic patterns suggests that at least five distinct HAD proteins are traceable to the last universal common ancestor (LUCA) of all extant organisms. While these prototypes diverged prior to the emergence of the LUCA, the major diversification in terms of both substrate specificity and reaction types occurred after the radiation of the three superkingdoms of life, primarily in bacteria. Most major diversification events appear to correlate with the acquisition of new metabolic capabilities, especially related to the elaboration of carbohydrate metabolism in the bacteria. The newly identified relationships and functional predictions provided here are likely to aid the future exploration of the numerous poorly understood members of this large superfamily of enzymes.