蛋白質内共進化は受精に近いほど機能的になっている

Intra-Protein Coevolution Is Increasingly Functional with Greater Proximity to Fertilization.

• Marcel Kwiatkowski
• Abdul R Asif
• Julia Schumacher
• Bertram Brenig
• Hans Zischler
• Holger Herlyn

抄録

アミノ酸部位の分子内共進化は、タンパク質の構造や機能の予測を向上させるために繰り返し研究されてきました。これにより、利用可能な結晶構造データを持つ細菌のタンパク質に焦点を当てました。しかし、分子内共進化はまだ受精に機能的な近接性の勾配に沿ってタンパク質セット間で比較されていません。これは、タンパク質内共進化に外部からの選択的な力の潜在的な効果については特に当てはまります。本研究では、精子、精巣、全身、肝臓を代表とする哺乳類のタンパク質の等倍の大きさのセットについて、両方の側面を調査した。共進化解析では、10個の哺乳類オルソログのアミノ酸配列から、タンパク質ごとの共進化部位の割合を算出した。共進化プロキシの有効性を確認するために、すべてのタンパク質セットにおいて、非同義またはアミノ酸置換率と正の相関が見られた。しかし、我々の共進化代理は、男性生殖タンパク質セットのみでは、タンパク質相互作用体の数（ノード度）と負の相関を示した。さらに、我々の共進化プロキシとタンパク質の疎水性との負の相関は、精子タンパク質のみで有意であった。したがって、タンパク質インタラクタントの制限的効果は、男性生殖タンパク質において最も顕著であり、精子タンパク質の内部構造を形成する傾向は、共進化部位が多いほど減少した。どちらの側面からも、受精に近いほど、外向きの共進化の割合、ひいては機能的な共進化の割合が増加することが示されています。この結論は、精子タンパク質内での追加の比較によっても確認されました。このように、疎水性の高い精子タンパク質は、共進化部位の割合が最も低く、遺伝子アノテーションによれば、細胞内部構造に多く局在していました。したがって、疎水性の高い精子タンパク質は、性淘汰後の形態にさらされることが少ないはずである。疎水性の低いものは、共役部位の割合が大きく、細胞膜に存在するか、分泌されることが多かった。このように、細胞レベルでは、これらの生物は、置換率を増加させる可能性があることで知られている、外部から誘起される性淘汰後淘汰の力に近いものである。さらに、相関解析において精巣タンパク質が中間的な状態にあるのは、おそらく生殖と体性の特別な関与の組み合わせによるものであることを示した。

Intramolecular coevolution of amino acid sites has repeatedly been studied to improve predictions on protein structure and function. Thereby, the focus was on bacterial proteins with available crystallographic data. However, intramolecular coevolution has not yet been compared between protein sets along a gradient of functional proximity to fertilization. This is especially true for the potential effect of external selective forces on intraprotein coevolution. In this study, we investigated both aspects in equally sized sets of mammalian proteins representing spermatozoa, testis, entire body, and liver. For coevolutionary analyses, we derived the proportion of covarying sites per protein from amino acid alignments of 10 mammalian orthologues each. In confirmation of the validity of our coevolution proxy, we found positive associations with the nonsynonymous or amino acid substitution rate in all protein sets. However, our coevolution proxy negatively correlated with the number of protein interactants (node degree) in male reproductive protein sets alone. In addition, a negative association of our coevolution proxy with protein hydrophobicity was significant in sperm proteins only. Accordingly, the restrictive effect of protein interactants was most pronounced in male reproductive proteins, and the tendency of sperm proteins to form internal structures decreased the more coevolutionary sites they had. Both aspects illustrate that the share of outward and thus functional coevolution increases with greater proximity to fertilization. We found this conclusion confirmed by additional comparisons within sperm proteins. Thus, sperm proteins with high hydrophobicity had the lowest proportions of covarying sites and, according to gene annotations, localized more frequently to internal cellular structures. They should therefore be less exposed to postcopulatory forms of sexual selection. Their counterparts with low hydrophobicity had larger proportions of covarying sites and more often resided at the cell membrane or were secreted. At the cellular level, they are thus closer to externally induced forces of postcopulatory selection which are known for their potential to increase substitution rates. In addition, we show that the intermediary status of the testicular protein set in correlation analyses is probably due to a special combination of reproductive and somatic involvements.

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