剖析局部堆积密度与长程效应在蛋白质序列进化中的作用

蛋白质序列进化的结构决定因素是什么？已提出若干位点特异性结构特征，其中大多数大致关联到接触密度或单个残基的溶剂可及性。最为重要的是，文献中关于溶剂可及性与局部堆积密度对于解释蛋白质中位点特异性序列可变性的相对重要性存在分歧。我们在此表明，这一讨论被局部堆积密度的定义所混淆。最常用的局部堆积度量，如接触数与加权接触数，按定义代表了局部堆积密度与长程效应的联合作用。作为替代，我们在此提出一种基于 Voronoi 胞体积的、围绕单个残基的真正局部的堆积密度度量。我们表明，当相对于氨基酸侧链的几何中心计算时，Voronoi 胞体积的行为与相对溶剂可及性几乎相同，并且两者平均能解释 209 种酶的数据集中位点特异性进化速率变异的约 34\% 的。额外的 10\% 变异可由加权接触数所捕获的非局域效应解释。因此，某一位点上的进化变异由该位点的直接氨基酸邻域与由更遥远氨基酸介导的效应之联合作用决定。我们得出结论：未来的研究不应对比溶剂可及性与局部堆积密度，而应强调直接接触与长程效应对进化变异的相对重要性。