——背景——
蛋白质结构中的协同进化残基，对应的是在不同物种进化过程中同时出现突变的残基组，这是由于涉及蛋白质的三维形状的几个可能原因: 功能相互作用、构象变化和折叠。最近AlphaFold2在预测蛋白质的三维结构方面取得了令人印象深刻的进展，其原子准确度依赖于共进化信号。
今年6月，Alessandra Carbone课题组在Nucleic Acids Research上发表了题为“iBIS2Analyzer: a web server for a phylogeny-driven coevolution analysis of protein families”的文章，主要是创建了一个web服务器iBIS2Analyzer（http://ibis2analyzer.lcqb.upmc.fr/），用户可以通过将蛋白映射到序列、比对或选择的结构上，可视化、比较和检查共进化的残基簇，对具有不同进化压力的蛋白质家族进行系统发育驱动的共进化分析，极大地简化了下游分析步骤。
——方法——
BIS2和iBIS2算法web服务器通过调用两种不同但又相关的算法BIS2和iBIS2以两种不同的方式工作。
第一种模式运行，是BIS的一个快速版本，专门用于处理少量和/或保守的序列，关键思想是，高度相关的序列可能包含全局MSA中丢失的进化信息，在全局MSA中，局部信号可能被高度稀释。Analyzer的迭代特性使其对具有不同氨基酸变异性和大小的蛋白质家族具有高度的可调性，其灵活的设计有利于在序列、对齐和结构中分析共进化信号。
第二种模式运行，探索与输入MSA相关的系统发育树拓扑结构的迭代过程。它可以分析几十条到几千条序列，目标是识别可能是特定于蛋白质亚家族的共进化信号。它采用了一种自下而上的迭代方法来选择和分析系统发育树的子树，在不同的子树上独立计算共进化簇，用来探索以下三个方面：(i)亚家族的共进化信号，(ii)共进化信号发生在不重叠的子树中，(iii)共进化信号在包含在另一个子树中的级联中保守，并在较小的树中发现共同进化残基进行扩展。
图1：iBIS2Analyzer结果页面。三个主要面板专门用于簇、MSA和树分析。
——iBIS2Analyzer服务器交互页面——
iBIS2Analyzer服务器提供一个任务提交页面，它接受FASTA格式的MSA作为输入，可以复制粘贴或上传为文件，并且对序列名称没有限制。iBIS2Analyzer还接受以前的作业文件作为输入，允许用户查看过去的运行。用户可以提供NEWICK格式的系统发育树(复制粘贴或上传文件)，或运行PhyML， FastTree或BioNJ。它接受一个MSA作为输入，并返回一个无根树。
iBIS2Analyzer结果页面显示了通过或找到的共进化簇的集合。iBIS2Analyzer在三个主要的可视化面板中表示簇: 簇面板、MSA面板和树面板。簇面板通过两个主要的可视化表示，显示每个集群沿(子)MSA共有序列的位置；MSA面板用户可以可视化整个对齐，检查保守直方图和发生在一个固定的MSA位置的氨基酸分布，提供了描述MSA共有序列的三层图形标尺以及氨基酸坐标。树面板是互动面板，系统发育树可以手动移动和放大以及缩小，还可以使用“围绕子树”按钮自动将视图置于特定子树的中心或重置视图。用户可以逐个选择多个子树，并打开多个选项卡。
通过Results Page的View on Structures按钮(图1)可以访问结构可视化页面，专门用于蛋白质结构上的共进化位置的可视化(图2)。对于每个结构，用户可以提供一个PDB文件、一个CIF文件或一个PDB id，多个结构可以并排同时加载(图2B)，这个有效的功能可以探索蛋白质相互作用或不同折叠(例如无序区域和有序区域)的同一蛋白质(2B)。
——结果——
作者列举了几种和的共进化分析的结果。它们涉及一个蛋白内热点残基的检测、蛋白内接触残基的片段、未折叠结构中残基之间的相关性、涉及构象变化的残基之间的长距离相关性、病毒多蛋白的分析、药物治疗后病毒出现的二次突变。
比如人畜共患病，刺突蛋白参与SARS-CoV-2病毒包膜的形成，含有参与与宿主相互作用的结合受体。作者考虑了代表甲型和乙型冠状病毒属的25个序列，从蝙蝠到啮齿动物，包括人类序列。乙型冠状病毒组有4个主要谱系:恩贝病毒、Merbecvirus (MERS-CoV)、Nobecvirus (HKU9)和Sarbecvirus (SARS-CoV和SARS-CoV-2)。结果突出显示了分隔alpha和beta属的两个簇(图2AB中的黄色和橙色)：它们突出显示了每个谱系内保守但在这两个谱系之间发生突变的序列位置。此外，橙色的簇以不同的突变区分Merbecvirus亚属。第三个簇(青色)将Sarbecvirus序列与所有其他序列分离，第四个簇(绿色)将Nobecvirus序列与所有其他序列分离。属于同一共进化簇的残基在一种结构中可以相距很远，在另一种结构中可以接触：759和1151(黄色)在不同的链(AC, CB, BA)上在融合前相距很远，在融合后接触。同一簇内的残基可以互换其作用：残基1067在融合后取代融合前的912(黄色；图2B的镶嵌图)。簇对中不同的残基以不同的构象接触：融合前残基938(青色)与819和823(绿色)接触，融合后残基976(青色)与1162(绿色)接触。
图2：基于iBIS2Analyzer对SARS-CoV-2病毒刺突蛋白的两次分析。(A)融合前(6XR8:ABC)和融合后(6XRA:ABC)结构根据序列进行映射。(B)四个簇中的残基(A)被绘制在融合前(左)和融合后(右)结构上。(C)属于betacoronavirus属的SARS序列树。(D)代表6个共进化残基簇的簇图。(E) D中的六个簇被绘制在融合前的结构上。
——总结与讨论——
iBIS2Analyzer揭示了一个蛋白质家族中由功能和结构共进化驱动的蛋白质进化新规则，用于系统发育驱动的蛋白质序列的共进化分析，帮助用户探索可能为蛋白质的不同亚家族获得的共进化位置。iBIS2Analyzer设计的一个主要优点是，用户可以在一个页面上看到所有相关信息，分别根据序列和结构进行分析，创建一个交互的工作环境，在面板之间传递他的选择。结果和结构可视化页面的设计目的是激发对这个问题的创造性思维，培养对蛋白质行为的假设和设计实验的新策略。
参考文献：
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