Evolutionary insights into the stereoselectivity of imine reductases based on ancestral sequence reconstruction

立体选择性 上位性 分子进化 进化生物学 亚胺 生物 遗传学 系统发育学 基因 生物化学 催化作用
作者
Xinxin Zhu,W. Jim Zheng,Ziwei Xia,Xinru Chen,Tian Jin,Xu‐Wei Ding,Fei‐Fei Chen,Qi Chen,Jian‐He Xu,Xu‐Dong Kong,Gao‐Wei Zheng
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1)
标识
DOI:10.1038/s41467-024-54613-3
摘要

The stereoselectivity of enzymes plays a central role in asymmetric biocatalytic reactions, but there remains a dearth of evolution-driven biochemistry studies investigating the evolutionary trajectory of this vital property. Imine reductases (IREDs) are one such enzyme that possesses excellent stereoselectivity, and stereocomplementary members are pervasive in the family. However, the regulatory mechanism behind stereocomplementarity remains cryptic. Herein, we reconstruct a panel of active ancestral IREDs and trace the evolution of stereoselectivity from ancestors to extant IREDs. Combined with coevolution analysis, we reveal six historical mutations capable of recapitulating stereoselectivity evolution. An investigation of the mechanism with X-ray crystallography shows that they collectively reshape the substrate-binding pocket to regulate stereoselectivity inversion. In addition, we construct an empirical fitness landscape and discover that epistasis is prevalent in stereoselectivity evolution. Our findings emphasize the power of ASR in circumventing the time-consuming large-scale mutagenesis library screening for identifying mutations that change functions and support a Darwinian premise from a molecular perspective that the evolution of biological functions is a stepwise process. There is a paucity of studies on enzyme stereoselectivity from an evolutionary biochemistry perspective. Here, the authors use ancestral sequence reconstruction to trace the evolution of stereoselectivity in imine reductases, elucidate its structural basis, and investigating the role of epistasis.
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