再構築された先祖酵素は、負の選択がADP依存性キナーゼの基質特異性の進化を促進したことを明らかにしています

分子進化の中心的な目標の1つは、酵素がその基質特異性を変化させるメカニズムと進化力を特定することです。ただし、これらのプロセスはほとんど未踏のままです。順序の熱焦点、メタノサルシナル、メタノコッカレスをモデルとして、および古酵素、進化統計、タンパク質構造解析を含むアプローチを採用する注文熱焦点、メタノサルシナル、メタノコッカスを含むアルカエアの糖解ADP依存性キナーゼを使用して、ADP依存性キナーゼゼーゼゼーゼゼーゼゼーゼゼーゼゼーゼゼーゼの特異性の変化の変化を追跡できました。これらの変化の構造決定要因とともに進化。そのために、私たちは5つの重要な復活した先祖酵素とその現存するカウンターパートを研究しました。グルコースまたはフルクトース6-リン酸（フルクトース-6-p）のいずれかをフルクトース6-p特異的酵素の基質としてリン酸化できる二機能祖先からの機能の大きなシフトが、生じる単一アミノ酸置換によって開始されることがわかりました。グルコースに対する基底状態モードとその後の祖先タンパク質の特異性の1,600倍の変化を伴う負の選択で。この変化により、グルコースの残留リン酸化が乱交的かつ生理学的に無関係な活性となり、乱交が祖先の酵素活性の進化的痕跡である可能性を強調しました。また、離散バイナリ文字の進化モデルを使用して、基質利用の進化的歴史を再構築することもできます。これは、酵素の進化中に基質の使用が個別に失われたり、獲得されることを示しています。これらの発見は、否定的な選択と微妙な酵素の変化が機能の主要な進化的変化にどのようにつながるかを例示し、その後、たとえば熱球体の解糖効率を改善するために重要な適応的利点を生み出すことができます。

One central goal in molecular evolution is to pinpoint the mechanisms and evolutionary forces that cause an enzyme to change its substrate specificity; however, these processes remain largely unexplored. Using the glycolytic ADP-dependent kinases of archaea, including the orders Thermococcales, Methanosarcinales, and Methanococcales, as a model and employing an approach involving paleoenzymology, evolutionary statistics, and protein structural analysis, we could track changes in substrate specificity during ADP-dependent kinase evolution along with the structural determinants of these changes. To do so, we studied five key resurrected ancestral enzymes as well as their extant counterparts. We found that a major shift in function from a bifunctional ancestor that could phosphorylate either glucose or fructose 6-phosphate (fructose-6-P) as a substrate to a fructose 6-P-specific enzyme was started by a single amino acid substitution resulting in negative selection with a ground-state mode against glucose and a subsequent 1,600-fold change in specificity of the ancestral protein. This change rendered the residual phosphorylation of glucose a promiscuous and physiologically irrelevant activity, highlighting how promiscuity may be an evolutionary vestige of ancestral enzyme activities, which have been eliminated over time. We also could reconstruct the evolutionary history of substrate utilization by using an evolutionary model of discrete binary characters, indicating that substrate uses can be discretely lost or acquired during enzyme evolution. These findings exemplify how negative selection and subtle enzyme changes can lead to major evolutionary shifts in function, which can subsequently generate important adaptive advantages, for example, in improving glycolytic efficiency in Thermococcales.