底物依赖性上位性揭示活性位点分子内连线

酶对新型底物的适应涉及分子内残基网络的重构，然而，这种重构在多个底物之间有何差异，以及它如何支撑功能权衡与底物多样性，仍然知之甚少。在此，我们针对一种磷酸三酯酶中的六个关键突变在九种结构多样的底物（涵盖三类化学类别：有机磷酸酯、酯类和内酯）上的全部64种组合进行了系统分析，从而构建了该磷酸三酯酶活性位点内上位性与底物多样性的多维图谱。我们开发了一条具有统计稳健性的、基于参考的分析流程，将误差传播与显著性检验纳入其中，从而超越对全局上位性趋势的考察，解析特定遗传背景中具有特异性且依赖底物的分子内连接模式。模拟结果证实，该流程能够可靠地识别真实的高阶上位性相互作用，同时将假阳性降至最低。我们揭示，分子内网络连接方式在不同底物之间存在显著差异，即使是在同一化学类别内部亦然；其中，适应性目标底物2-萘基己酸酯与其短链酯类类似物之间表现出尤为明显的分化。包括d233E/h254R/l271F和l271F/f306I/i313F在内的关键高阶网络，表现出底物特异性的上位性特征，能够区分酰基链长度、离去基团身份以及杂原子取代等细微结构特征。这些依赖底物的重构事件解释了所观察到的功能权衡，尤其是适应性底物与天然底物之间显著的负相关关系。总体而言，这些发现表明，全面的跨底物上位性谱分析结合严格的统计分析，为剖析酶底物多样性的分子基础以及界定适应性进化的功能权衡提供了有力框架。

酶对新型底物的适应涉及分子内残基网络的重构，然而，这种重构如何在多个底物之间表现出差异，以及它如何支撑功能权衡与底物多效性，仍知之甚少。本文中，我们针对一种磷酸三酯酶中的六个关键突变，在九种结构多样且涵盖三类化学类别（有机磷酸酯、酯类和内酯）的底物上，系统分析了其全部64种组合，由此构建了该磷酸三酯酶活性位点内表征上位性与底物多效性的多维图谱。我们开发了一套具有统计稳健性的、基于参考的分析流程，整合了误差传播与显著性检验，从而超越全局上位性趋势的分析，解析特定遗传背景下具有特异性且依赖底物的分子内连接模式。模拟结果证实，该流程能够可靠识别真实的高阶上位性相互作用，同时将假阳性降至最低。我们揭示，分子内网络连接模式在不同底物之间存在显著差异，即使在同一化学类别内部亦是如此；其中，适应性目标底物2-萘基己酸酯与其短链酯类似物之间存在尤为显著的分化。关键高阶网络，包括 d233E/h254R/l271F 和 l271F/f306I/i313F，表现出底物特异性的上位性特征，能够区分酰基链长度、离去基团身份以及杂原子取代等细微结构特征。这些依赖底物的重构事件解释了所观察到的功能权衡，尤其是适应性底物与天然底物之间显著的强负相关。总体而言，这些发现表明，全面的跨底物上位性谱分析结合严格的统计分析，为解析酶底物多效性的分子基础以及界定适应性进化的功能权衡提供了强有力的框架。

📄 原文链接：https://www.biorxiv.org/content/10.64898/2026.07.02.736193v1?rss=1

🏷️ 上位性 酶适应 底物特异性 活性位点网络 功能权衡 磷酸三酯酶