蛋白质变构模型中稀疏性与模块性的演化

蛋白质序列不仅受当前选择下的物理和生化性质约束，还受其过去演化历史特征的约束。理解这些演化约束的程度和形式对于解读蛋白质序列中的信息至关重要。为研究这一问题，我们引入一个简单但具有物理意义的蛋白质演化模型，其中选择目标为变构性，即蛋白质表面远端位点之间的功能耦合。该模型展示了蛋白质结构内氨基酸间耦合的几何组织如何关键地依赖于其演化历史。特别是，发现两种情景可生成功能约束的空间集中：高突变率和波动的选择压力。第二种情景为天然蛋白质对突变的高耐受性及其最不耐受氨基酸的空间组织提供了合理的解释，这与序列分析和诱变实验结果一致。它还暗示了一种适应新选择压力的能力，这与观测结果相符。此外，该模型说明了根据过去环境波动的性质，几个独立的功能模块如何在同一蛋白质结构内涌现。因此，我们的模型将蛋白质的演化历史和演化潜力与其功能约束的几何形状联系起来，对解码和设计蛋白质序列具有启示意义。