相互作用蛋白的结构趋同演化：跨物种互作保守性驱动的进化新机制

《Journal of Molecular Evolution》：Correlated Evolution Drives Structural Convergence of Interacting Proteins

本研究针对蛋白质结构演化与相互作用网络间的关联机制这一核心问题，通过系统分析啮齿类与酵母两大类群中保守相互作用对（interologs）与非保守相互作用对的结构特征，首次揭示了互作保守性驱动相互作用蛋白结构趋同演化的重要规律。研究发现interologs不仅具有更相似的内在无序度与三维结构，还表现出更缓慢的结构演化速率，且更多参与核心代谢功能。该成果为理解蛋白质互作网络的进化约束机制提供了全新视角，发表于Journal of Molecular Evolution。

　　

在生命演化的长河中，蛋白质如同精密运作的分子机器，其三维结构决定了它们如何相互作用并执行生命活动。然而一个长期困扰演化生物学家的核心问题是：当蛋白质通过相互作用形成功能网络时，它们的结构演化是会相互趋同还是背道而驰？这个问题的答案关乎我们如何理解生命网络在数百万年演化过程中保持稳定的深层机制。

以往研究表明，相互作用蛋白常呈现序列共进化特征，特别是在结合界面处存在协同突变。但关于全局结构演化关系，特别是跨物种尺度下的结构趋同现象，仍缺乏系统证据。传统观点认为“相似相吸”——结构相似的蛋白更易相互作用，但这一假说是否在演化尺度上普遍成立？抑或相互作用蛋白会通过结构互补来实现功能匹配？这些问题亟需在宏观演化框架下进行检验。

发表于《Journal of Molecular Evolution》的最新研究通过整合多物种蛋白质互作网络与高精度结构预测数据，为这一谜题提供了突破性见解。研究团队选取啮齿类（小鼠Mus musculus和大鼠Rattus norvegicus）与酵母（酿酒酵母Saccharomyces cerevisiae和裂殖酵母Schizosaccharomyces pombe）两大演化距离遥远的类群，构建了包含数万对高置信度蛋白质-蛋白质相互作用（PPI）的数据集，并创新性地将相互作用对区分为进化保守的互作同源蛋白（interologs）和非保守相互作用对（non-interologs）两类，系统比较了它们的结构演化规律。

关键技术方法包括：从AlphaFold数据库获取四种模式生物的全基因组蛋白结构预测模型，利用pLDDT（预测局部距离差异测试）分值评估内在无序性；从STRING数据库提取实验验证的PPI数据并鉴定interologs；采用FATCAT 2.0进行柔性结构比对获取相似性分值与RMSD（均方根偏差）；通过TM-align计算TM-scores（模板建模分值）评估拓扑相似性；利用基因本体（GO）富集分析揭示结构特征与功能关联。

Relationships between intrinsic disorder of interacting proteins

研究首先发现，相互作用蛋白间存在显著的内在无序度正相关。在啮齿类和酵母中，相互作用蛋白的pLDDT分值（AlphaFold预测的结构置信度指标，低分值对应高无序性）均呈现弱但极显著的正相关（P<2.22×10^-16），而随机配对的蛋白间无此关联。这一现象提示相互作用蛋白倾向于具有相似的结构有序性水平，初步印证了“相似相吸”假说。

Comparisons of structural similarities between interacting proteins

深入分析揭示，结构相似性特征完全由interologs驱动。当研究者将PPI区分为interologs（相互作用在物种间保守）和non-interologs（非保守）后，发现正相关关系仅存在于interologs中。通过FATCAT相似性分值、RMSD值和TM-scores三项指标的系统比较，证实interologs的结构相似性显著高于non-interologs（P<0.001）。典型案例如图3所示，interologs的结构叠加明显优于non-interologs。

Superimposed structural alignments of representative interacting proteins

Evolutionary divergence between orthologous protein structures

进一步对直系同源蛋白的结构演化分析显示，interologs表现出显著减缓的结构演化速率。比较orthologs（直系同源蛋白）间的结构差异发现，interologs的FATCAT相似性分值和TM-scores更高，RMSD值更低（P<0.001），表明保守相互作用对蛋白结构施加了更强的演化约束，导致其结构在漫长演化过程中保持更高保守性。

Structural and functional characteristics of interacting proteins

功能分析揭示interologs倾向于参与核心生物学过程。Interologs的内在无序度显著低于non-interologs（P<10^-3），且GO富集分析显示低无序度蛋白主要富集于代谢和生物合成过程，而高无序度蛋白多参与基因调控。这表明interologs通过降低无序度来维持相互作用稳定性，从而保障必需生物学功能的实现。

本研究首次在宏观演化尺度证实了相互作用保守性驱动蛋白结构趋同的现象。这种结构趋同并非指独立演化出相同折叠，而是描述在共享功能约束下，interologs通过共进化机制沿平行结构轨迹演化的过程。研究排除了同源域相互作用（homo-domain interactions）作为主要驱动力的可能性，因为若其主导，interologs与non-interologs应呈现相似结构特征，而实际观测到显著差异。

该发现对理解蛋白质互作网络演化具有三重意义：首先揭示了结构约束是互作保守性的分子基础，其次阐明结构趋同是共进化的普遍结果，最后确立了内在无序度作为衡量互作稳定性的关键指标。研究通过双类群验证确保了结论的普适性，尽管受限于高质量实验数据覆盖度，但为探索蛋白质功能弹性与演化可塑性提供了新范式。这些见解将助力预测蛋白质相互作用网络演化轨迹，并为理解疾病相关突变对互作网络的扰动机制提供理论基础。