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酶的活性通常由构象变化来调节，这种变化与别构位点上的效应剂结合有关，这一特征对于参与信号级联的酶尤其重要。来自布兰迪斯大学的Hadzipasic等人在Science上发表了题为”Ancient origins of allosteric activation in a Ser-Thr kinase”的工作，研究了Aurora A（一种参与真核细胞周期进程的激酶）别构调节的起源。Aurora A是通过一种名为TPX2的效应蛋白的结合来进行别构调节的，它也将激酶作用于纺锤体微管。通过重建祖先激酶序列，他们发现TPX2与早期Aurora A结合，但激活非常微弱，并随着激酶内别构网络的演化而逐渐增强。在有丝分裂纺锤体上定位活性蛋白的进化优势可能推动了这种调控机制的发展。 长期以来，磷酸化和蛋白-蛋白相互作用被作为Ser-Thr蛋白激酶的两种别构调控机制（图1A）。Aurora A作为其中一员调控细胞周期，在TPX2结合到疏水口袋后，一方面使其靶向纺锤体微管蛋白，另一方面别构激活其活性。通过重建祖先序列，作者确定了活性环自磷酸化为最古老的别构激活方式，然后进化出了TPX2别构调控（图1B）。从基因树来看，TPX2晚于Aurora A出现，并且仅在某些植物和动物里面出现，而细菌中没有出现，可能细菌丢掉了TPX2结合区域。
图1 别构激活起源研究策略。 ——实验—— 为了探究两种别构激活方式，作者首先测定不同物种自磷酸化的酶活信息。在去磷酸化状态下，四种 Aurora 激酶活性都很低，当288位的Thr磷酸化后，所有激酶均被激活（图2），并且体现出进化对催化效率的额外调控。
图2 自磷酸化是最古老并且保守的别构激活方式。 而对于第二种激活方式，若根据“相互作用物种的相互进化变化”，那么只有配对的蛋白才会显示别构激活。对于比TPX2更早出现的ANC1和ANC2，TPX2确实没有起到激活的作用，但是对于更近的ANC3，ANC4以及human Aurora，不配对的蛋白仍然具有激活性质（图3A）。这意味着当TPX2出现并稳定进化时，其与Aurora的相互作用便已建立，并且作用模式十分保守。那么TPX2调控的别构激活是如何进化的？对此作者进行了一系列酶活实验（图3C），并发现了从ANC3，ANC4到human Aurora，催化速率逐渐上升（图3D）。
图3 通过TPX2结合的别构激活较晚出现。 从结果来看，不配对的蛋白仍然具有催化活性，因此作者在Aurora B上进行了额外的验证，INCENP是其别构激活的蛋白，并且与TPX2无相似之处，但居然也可以激活Aurora A，尽管较弱。这意味着特异性在进化过程中发生在结合能力层面上，别构激活起源于激酶编码之中，而不在TPX2中。因此或许可以通过祖先重建的方法确认出激酶内部的别构网路。ANC2和ANC3的序列只有25个残基差异（图4A），其中18个残基在ANC3，ANC4和human Aurora中高度保守，其中三个又不在Aurora B保守，因此作者将余下的15个残基引入ANC2中构建（ANC2+15），而将另外10个不保守的残基引入ANC2中构建（ANC2+10）。这两个体系在磷酸化后均可以别构激活，然而对于TPX2介导的激活方式，ITC实验表明TPX2仅可以别构激活（ANC2+15），而（ANC2+10）体系与原始体系并无二异。因此其中或许蕴含别构网络。两种不同的别构激活方式有不同的内在通路。
图4 别构网络确认。 ——小结—— 别构共进化是一个很有意思的现象，与达尔文进化论相反，它要求两个蛋白必须同时进化，从而正确发挥功能，俗称“不可约复杂系统“；另一方面，如果进化的复杂性可以通过逐步进化来降低，首先是蛋白共定域，然后是别构进化，那么非特异性的表面残基可以通过接触进化出有效的相互作用，然后只在激酶结构域中发生突变来进化别构。或许共定域才是迈向别构的第一步。 |
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