Evolution of Phosphorylase Activity in an Ancestral Glycosyltransferase

糖基转移酶 糖原磷酸化酶 定向进化 生物 进化生物学 计算生物学 化学 生物化学 遗传学 基因 突变体
作者
Jorick Franceus,José Pablo Rivas-Fernández,Jolien Lormans,Carme Rovira,Tom Desmet
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:: 3103-3114
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c05819
摘要

The reconstruction of ancestral sequences can offer a glimpse into the fascinating process of molecular evolution by exposing the adaptive pathways that shape the proteins found in nature today. Here, we track the evolution of the carbohydrate-active enzymes responsible for the synthesis and turnover of mannogen, a critical carbohydrate reserve in Leishmania parasites. Biochemical characterization of resurrected enzymes demonstrated that mannoside phosphorylase activity emerged in an ancestral bacterial mannosyltransferase, and later disappeared in the process of horizontal gene transfer and gene duplication in Leishmania. By shuffling through plausible historical sequence space in an ancestral mannosyltransferase, we found that mannoside phosphorylase activity could be toggled on through various combinations of mutations at positions outside of the active site. Molecular dynamics simulations showed that such mutations can affect loop rigidity and shield the active site from water molecules that disrupt key interactions, allowing α-mannose 1-phosphate to adopt a catalytically productive conformation. These findings highlight the importance of subtle distal mutations in protein evolution and suggest that the vast collection of natural glycosyltransferases may be a promising source of engineering templates for the design of tailored phosphorylases.
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