先祖代々のエフェクターカスパーゼの復活により、基質特異性の進化のための新しいネットワークが明らかになった

Resurrection of ancestral effector caspases identifies novel networks for evolution of substrate specificity.

• Robert D Grinshpon
• Suman Shrestha
• James Titus-McQuillan
• Paul T Hamilton
• Paul D Swartz
• A Clay Clark

抄録

アポトーシス・カスパーゼは、9億5千万年以上前（MYA）にメタゾ類とともに進化し、一連の遺伝子の重複により、イニシエーター・カスパーゼとエフェクター・カスパーゼの2つの亜門が誕生しました。エフェクターカスパーゼ遺伝子（カスパーゼ-3、カスパーゼ-6、カスパーゼ-7）は、その後、共通祖先遺伝子（CA）が重複した650万年以上前に脊索動物門に固定され、3つのエフェクターカスパーゼは哺乳類の進化の中で存続してきました。すべてのカスパーゼは基質のP1位置にあるアスパラギン酸残基を好むため、各カスパーゼはP4位置での基質認識の変化とアロステリックな調節を組み合わせることで、細胞内での役割を別々に進化させてきた。我々は、アスパラギン酸を好むカスパーゼ-3および-7と比較して、P4位のバリンを好むカスパーゼ-6の基質特異性の進化を、エフェクターカスパーゼのCA（AncCP-Ef1）とカスパーゼ-6のCA（AncCP-6An）を再構築することで調べた。その結果、AncCP-Ef1はP4でAsp、Val、Leuをほとんど区別しないプロミスキュアス酵素であることを明らかにしました。カスパーゼ6の特異性は進化の初期段階で定義されており、AncCP-6AnはP4でAspよりもValを好むことを示している。AncCP-Ef1とAncCP-6Anの構造は、S4ポケット付近に荷電したアミノ酸のネットワークを示しており、柔軟な活性部位ループの再配置と相まって、AncCP-6Anではより疎水性の高い結合ポケットが形成された。先祖代々のタンパク質の再構築により、カスパーゼ-ヘモグロビナーゼのフォールドは6億5千万年以上前から保存されており、基質選択をAspよりもValにシフトさせるためには、足場内のわずか3つの置換が必要であることが示された。

Apoptotic caspases evolved with metazoans more than 950 million years ago (MYA), and a series of gene duplications resulted in two subfamilies consisting of initiator and effector caspases. The effector caspase genes (caspases-3, -6, and -7) were subsequently fixed into the Chordata phylum more than 650 MYA when the gene for a common ancestor (CA) duplicated, and the three effector caspases have persisted throughout mammalian evolution. All caspases prefer an aspartate residue at the P1 position of substrates, so each caspase evolved discrete cellular roles through changes in substrate recognition at the P4 position combined with allosteric regulation. We examined the evolution of substrate specificity in caspase-6, which prefers valine at the P4 residue, compared with caspases-3 and -7, which prefer aspartate, by reconstructing the CA of effector caspases (AncCP-Ef1) and the CA of caspase-6 (AncCP-6An). We show that AncCP-Ef1 is a promiscuous enzyme with little distinction between Asp, Val, or Leu at P4. The specificity of caspase-6 was defined early in its evolution, where AncCP-6An demonstrates a preference for Val over Asp at P4. Structures of AncCP-Ef1 and of AncCP-6An show a network of charged amino acids near the S4 pocket that, when combined with repositioning a flexible active site loop, resulted in a more hydrophobic binding pocket in AncCP-6An. The ancestral protein reconstructions show that the caspase-hemoglobinase fold has been conserved for over 650 million years and that only three substitutions in the scaffold are necessary to shift substrate selection toward Val over Asp.

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