FAM222蛋白中新型无序保守结构域DCD222的进化与结构解析：揭示其与NLK激酶相互作用的脊椎动物特异性调控机制

《Scientific Reports》：Evolutionary analysis through structural modeling of FAM222 proteins reveals a novel disordered conserved domain in vertebrates that interacts with NLK

本研究针对蛋白质内在无序区域（IDR）在MAPK信号通路中的进化约束与功能机制这一前沿问题，聚焦FAM222蛋白家族。研究人员通过进化分析结合AlphaFold3结构建模，发现并鉴定了一个从无颌类到人类均高度保守的无序结构域DCD222。该结构域通过独特的反向停靠（revD）等模体与Nemo样激酶（NLK）特异性结合，且不阻碍其催化中心，提示FAM222A/B可能作为NLK的调控因子。该发现为理解IDR在脊椎动物信号传导适应性进化中的作用提供了新视角。

　　

在细胞信号传导的复杂网络中，有一类蛋白质显得格外特殊：它们不像大多数蛋白质那样拥有稳定、明确的三维结构，而是呈现出一种灵活多变的“无序”状态。这些被称为内在无序区域（Intrinsically Disordered Regions, IDRs）的蛋白片段，虽然结构松散，却在介导蛋白质间动态且特异的相互作用中扮演着至关重要的角色，尤其是在丝裂原活化蛋白激酶（Mitogen-Activated Protein Kinase, MAPK）信号通路中。然而，驱动IDRs进化并决定其调控MAPK功能的具体机制，至今仍是科学家们亟待破解的谜题。

FAM222蛋白家族，包括人类中的FAM222A和FAM222B，是近年来引起关注但功能尚不明确的蛋白。它们与阿尔茨海默病等神经退行性疾病相关，甚至被发现存在于老年斑块中，但其分子层面的作用机制，尤其是它们是否以及如何参与细胞信号调控，几乎是一片空白。这种知识上的缺口，呼唤着更深入的基础研究。

为了揭开FAM222蛋白的神秘面纱，来自墨西哥国立自治大学（Universidad Nacional Autonoma de Mexico）的研究团队Eduardo Calvario、Lorenzo Segovia和Mario Zurita开展了一项跨进化生物学与结构生物学的综合性研究。他们的研究成果《Evolutionary analysis through structural modeling of FAM222 proteins reveals a novel disordered conserved domain in vertebrates that interacts with NLK》发表在《Scientific Reports》上，揭示了一个隐藏在FAM222蛋白中、跨越数亿年进化历程的保守秘密——DCD222结构域，并阐明了它与一种关键激酶NLK相互作用的独特模式。

研究人员综合运用了多种生物信息学与计算生物学方法。主要包括：通过BLASTp搜索和最大似然法进行系统发育分析，以追溯FAM222家族的进化起源；利用DR-BERT工具预测蛋白质内在无序区域，并结合Kyte-Doolittle尺度进行亲水性分析；最关键的是，广泛采用AlphaFold3进行蛋白质结构建模和蛋白质-蛋白质相互作用预测，评估指标包括pLDDT（预测局部距离差异测试）和ipTM（界面预测模板建模）；使用ELM（真核生物线性模体资源）服务器预测短线性模体（SLiM）；并进行了分子动力学模拟（使用GROMACS软件）以验证蛋白质复合物结构的稳定性。

Evolutionary origins of FAM222: duplication of genes in gnathostomes

研究人员首先追溯了FAM222家族的进化历史。通过系统发育分析发现，FAM222A和FAM222B在颌类脊椎动物（gnathostomes）中形成两个独立的进化枝，表明它们起源于颌类脊椎动物共同祖先中的一次基因复制事件。人类FAM222A与FAM222B的序列一致性仅为34.3%，说明复制后二者发生了显著分化。更有趣的是，在更古老的无颌类脊椎动物（如七鳃鳗和盲鳗）中，只存在一个FAM222样蛋白，它们是颌类脊椎动物FAM222A/B的共同祖先基因。这表明FAM222蛋白家族在脊椎动物进化早期就已存在，而颌类脊椎动物中的基因复制事件可能促进了其功能特化。

FAM222 proteins contain a highly conserved IDR in vertebrates

接下来，研究团队寻找FAM222蛋白中可能具有关键功能的区域。他们发现了一个从盲鳗到人类都高度保守的氨基酸区域（约72-77个残基），序列一致性高达62.5%，并将其命名为DCD222（FAM222内的无序保守结构域）。生物信息学分析表明，DCD222具有典型的内在无序区域特征：平均60%的无序倾向性和整体亲水的特性。然而，其内部也存在两个显著的疏水片段，提示这些区域可能参与蛋白质相互作用。

Structural conservation of the disordered region in FAM222

利用AlphaFold3进行结构预测发现，虽然FAM222A和FAM222B整体上是高度无序的，但DCD222区域内却包含一个置信度极高（pLDDT > 90）的α-螺旋（H1）。令人惊讶的是，这个H1螺旋在从无颌类到人类的FAM222蛋白中都稳定存在，显示出强烈的进化约束，暗示其可能具有重要的功能。

The disordered conserved region of FAM222 proteins directly binds to NLK

那么，DCD222的功能是什么？通过STRING数据库分析和AlphaFold3相互作用建模，研究发现FAM222A/B能与多种蛋白质相互作用，但其中最强烈且特异性最高的结合对象是Nemo样激酶（NLK），这是一种参与WNT、NOTCH、VEGF、mTOR和TGF-β等多种信号通路的非典型MAPK。关键证据是，当在计算模型中删除DCD222结构域后，FAM222与NLK的结合便大大减弱甚至消失。更重要的是，这种由DCD222介导的与NLK的结合，在无颌类脊椎动物的FAM222样蛋白中也同样存在，说明这种相互作用机制在脊椎动物中是从祖先那里继承而来的、高度保守的特征。

The DCD222 region contains a RevD motif

为了探究结合机制，研究人员在DCD222序列中鉴定出一个反向停靠（reverse Docking, revD）模体，这是MAPK激酶结合模块中常见的一种短线性模体（SLiM）。该revD模体同样具有进化保守性，并能与NLK的停靠沟槽（docking groove）特异性结合。进一步的模拟显示，DCD222只特异性地与NLK结合，而不与其他人类MAPK家族成员结合，突出了其相互作用的特异性。

DCD222 binds to NLK through an extended conformation

精细的结构分析揭示了DCD222与NLK结合的分子细节。DCD222以一种扩展的构象“包裹”住NLK：其保守的H1螺旋与NLK的C端小叶（C-lobe）结合；revD模体嵌入NLK的停靠沟槽；而DCD222的其余部分则与NLK的N端小叶（N-lobe）相互作用，并诱导形成一个稳定的β-发夹样结构，同时将其一个短β-片层插入N端小叶上一个此前未被报道的疏水沟槽中。整个结合过程并未阻塞NLK的催化活性位点。

The DCD222 region establishes an evolutionarily conserved interaction with NLK through multiple types of interactions

结合界面分析显示，DCD222与NLK之间形成了大量的氢键、非键接触和一个盐桥，这些相互作用共同确保了复合物的稳定性。分子动力学模拟进一步证实，hFAM222A与hNLK形成的复合物在整个模拟过程中都保持稳定，其界面具有适度的动态灵活性，这是内在无序蛋白介导的功能性相互作用的典型特征。

本研究通过整合进化分析与前沿的计算结构生物学工具，系统地揭示了一个在脊椎动物中保守的新型信号调控模块。研究结果表明，FAM222蛋白家族通过其高度保守的无序结构域DCD222，以一种特异且不阻碍催化位点的方式与NLK激酶相互作用。这种相互作用机制从无颌类到人类均保守存在，强烈提示DCD222在调控NLK依赖的信号通路中扮演着关键角色。该发现不仅将FAM222蛋白定位为NLK的潜在调控因子，为理解其在神经退行性疾病等病理过程中的作用提供了新的分子基础，更重要的是，它为我们理解内在无序区域如何通过进化约束来精确调控细胞信号通路提供了一个生动的范例。这项研究深化了对蛋白质无序区域功能与进化意义的认识，也为后续针对FAM222-NLK轴的功能研究和靶向干预策略的开发奠定了坚实的理论基础。