整合素αI结构域的分子功能扩展：揭示脊椎动物细胞通讯的进化与生化基础

本研究聚焦整合素α亚基中插入的I结构域（αI）如何通过分子功能扩展（exaptation）保留祖先信号传导机制并拓展配体结合谱。研究人员通过冷冻电镜解析含I结构域的αEβ7与不含I结构域的α4β7整合素构象，发现αI结构域通过模拟外源配体（internal ligand）激活β亚基金属离子结合位点（βMIDAS），其进化起源可追溯至胶原蛋白相互作用结构域。该研究发表于《SCIENCE ADVANCES》，揭示了脊椎动物免疫屏障驻留等关键生理过程的分子基础。

　　

在生命演化的长河中，蛋白质如何通过结构创新实现功能突破始终是未解之谜。整合素作为跨膜信号传导的关键分子，其α亚基在5亿年前脊椎动物祖先中获得了神秘的"插入结构域"（I domain），但这一庞大结构如何在不破坏祖先信号传导机制的前提下扩展功能，一直是领域内的"达尔文谜题"。

传统观点认为，整合素通过α与β亚基间的裂隙结合RGD三肽配体，像弹簧刀般展开构象传递信号。然而含I结构域的整合素（如免疫相关的αEβ₇）却用这个200氨基酸的结构域直接结合配体，完全遮挡了祖先的RGD结合位点。这引发了两个关键科学问题：I结构域如何协调构象变化？这个"后来者"为何没有破坏精密的祖先信号机制？

研究人员选择β₇整合素家族作为模型，通过冷冻电镜（cryo-EM）解析了含I结构域的αEβ₇与不含I结构域的α₄β₇在不同状态下的结构。实验采用ExpiCHO细胞表达系统制备蛋白样品，结合分子动力学模拟（MD）和 ancestral sequence reconstruction（祖先序列重建）等计算生物学方法，系统揭示了I结构域的分子机制与进化起源。

Integrin α₄β₇ adopts distinct conformations

研究发现α₄β₇通过"解旋"而非传统"展开"机制激活，其配体MAdCAM-1使用独特的直角RGLD基序（而非线性RGD）结合。结构显示β₇亚基特异性决定环（SDL）的R200残基对配体识别至关重要，这为开发靶向肠道归巢的免疫调节药物提供了精确模板。

The inactive αEβ₇ I domain is unexpectedly dynamic

冷冻电镜捕捉到αEβ₇的I结构域在非激活状态下仍存在动态波动。其C端α₇螺旋延伸时会形成"内部配体"，通过保守谷氨酸（E372）结合β₇的βMIDAS离子，模拟外源配体的激活作用。这种构象异质性解释了组织驻留T细胞（T_rm）如何在稳定粘附的同时保持运动灵活性。

Ligand binding stabilizes the open αEβ₇ I domain

αEβ₇与E-cadherin复合物结构显示，I结构域通过"锁钥"疏水口袋结合EC1结构域，其N303糖基化直接参与相互作用。有趣的是，整合素结合会破坏E-cadherin的"链交换"二聚化，这解释了CD103⁺细胞如何竞争性破坏上皮连接、实现长期组织驻留。

The integrin I domain was derived from collagen

通过隐马尔可夫模型（HMM）追踪发现，I结构域进化自胶原VI的vWFA结构域。分子动力学模拟显示，胶原与整合素I结构域在镁/锰离子条件下呈现相似的α₇螺旋动态。祖先序列重建表达的蛋白形成多聚体，证实其保留了胶原典型的寡聚化特性。

The allosteric internal ligand was a de novo molecular exaptation

关键发现是I结构域的激活基序（I/LEGT）源于祖先α整合素基因中的一段"闲置"序列。通过将原始脊索动物α整合素的VDGT基序移植到现代αLβ₂中，仍能恢复60%的配体结合能力，证实这是一次完美的分子功能扩展（exaptation）事件。

这项研究首次完整揭示了蛋白质结构域创新的分子逻辑：I结构域通过"双继承"策略实现功能突破——既保留了胶原的配体结合特性，又"征用"了祖先整合素的激活基序。从医学角度看，αEβ₇-E-cadherin界面为调控组织炎症提供了新靶点；从进化角度看，这为理解蛋白质结构域重组如何驱动脊椎动物免疫系统复杂化提供了范式。研究还暗示，类似的功能扩展可能广泛存在于其他含vWFA结构域的蛋白质中，为蛋白质工程提供了新的设计原则。