Fold fragments in protein evolution and design

Abstract

Domains, the structural, functional, and evolutionary units of proteins, act as building blocks that contribute to the diversification of the protein universe as we know it. It is thought that domains emerged and evolved employing a set of ancestral, sub-domain sized fragments that have been reused in extant protein folds under different structural and/or functional contexts. Moreover, recombination of these elements may result in the generation of proteins with novel structures and functions, offering an innovative approach for rational protein design. Finding and describing these fragments with current domain classification systems, however, is not a straightforward task. Here we show, through the analysis of Fuzzle, a database built by our group, novel conserved fragments between protein folds assumed to be evolutionary unrelated until now. Several of these fragments, involving mostly the Rossmann fold or its derivatives, were examined in more detail, with a focus on ligand-binding features that have remained over evolutionary time. Furthermore, some of these fragments were recombined into fold chimeras that were expressed recombinantly, with two of them, EcPurT/BhPurN and EcPurT/GkPurN, incorporating segments from the preATP-grasp and formyltransferase folds and adopting a stable structure in accordance with the computationally designed model. Overall, these results give a general perspective of fold development in protein domains, shedding light on their evolution. In addition, they demonstrate a way of expanding the known protein sequence space by combining remotely conserved fold fragments into feasible chimeras. In the future we envision further characterization of Fuzzle fragments and the evolutionary connections between them. Additionally, we expect to find more fragments that will allow the generation of fold chimeras with proper functionality within them.

Domänen, die strukturellen, funktionellen und evolutionären Komponenten von Proteinen, fungieren als Bausteine, die zur Diversifizierung des Proteinuniversums, wie wir es kennen, beitragen. Es wird angenommen, dass Domänen aus ursprünglichen Fragmenten in Subdomänengröße entstanden sind und sich weiterentwickelt haben. Diese Fragmente wurden in bestehenden Proteinfaltungen in unterschiedlichen strukturellen und/oder funktionellen Zusammenhängen wiederverwendet. Darüber hinaus kann die Rekombination dieser Elemente zur Erzeugung von Proteinen mit neuartigen Strukturen und Funktionen führen, was einen innovativen Ansatz für ein rationales Proteindesign darstellt. Das Auffinden und Beschreiben dieser Fragmente mit den derzeitigen Domänenklassifikationssystemen ist jedoch keine triviale Angelegenheit. Hier zeigen wir durch die Analyse von Fuzzle, einer von unserer Gruppe aufgebauten Datenbank, neue konservierte Fragmente zwischen Proteinfaltungen, von denen wir bisher annahmen, dass sie evolutionär nicht verwandt sind. Mehrere dieser Fragmente, bei denen es sich meist um die Rossmann-Faltung oder ihre Derivate handelt, wurden genauer untersucht, wobei der Schwerpunkt auf ligandenbindenden Eigenschaften lag, die über die evolutionäre Zeit hinweg erhalten geblieben sind. Weiterhin wurden einige dieser Fragmente zu rekombinant exprimierten Faltungschimären rekombiniert, wobei zwei von ihnen, EcPurT/BhPurN und EcPurT/GkPurN, Segmente aus den preATP-grasp- und Formyltransferase-Faltungen aufwiesen und eine stabile Struktur in Übereinstimmung mit dem computerberechneten Modell aufwiesen. Insgesamt geben diese Ergebnisse einen allgemeinen Einblick in die Entwicklung von Faltungen in Proteindomänen und werfen ein Licht auf deren Evolution. Ferner zeigen sie eine Möglichkeit auf, den bekannten Proteinsequenzraum zu erweitern, indem entfernt konservierte Faltungsfragmente zu realisierbaren Chimären kombiniert werden. Für die Zukunft planen wir weitere Charakterisierungen der Fuzzle-Fragmente und der evolutionären Zusammenhänge zwischen ihnen. Zudem erwarten wir, dass wir weitere Fragmente finden werden, die die Erzeugung von Faltungschimären mit Funktionalität in ihnen ermöglichen.