Energielandschaftstheorie gibt Aufschluss über die Evolution faltbarer Proteine

Eine neue Studie unter der Leitung von Peter Wolynes von der Rice University bietet neue Einblicke in die Evolution faltbarer Proteine. Die Forschung wurde veröffentlicht im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Forscher von Rice und der Universität von Buenos Aires verwendeten die Energielandschaftstheorie, um zwischen faltbaren und nicht faltbaren Teilen von Proteinsequenzen zu unterscheiden. Ihre Studie beleuchtet die anhaltende Debatte darüber, ob sich die DNA-Stücke, die bei ihrer Entstehung nur einen Teil eines Proteins kodieren, von selbst falten können.

Die Forscher konzentrierten sich auf die umfassende Beziehung zwischen Exons in Proteinstrukturen und der Evolution der Proteinfaltbarkeit. Sie betonten die Bedeutung von Exons, also den Teilen des Gens, die für Proteine ​​kodieren, und Introns, also den stummen Regionen, die bei der Übersetzung von Genen in Proteine ​​verworfen werden.

„Mithilfe der inzwischen verfügbaren umfangreichen Daten zur genomischen Exon-Intron-Organisation und Protein-Sequenz haben wir die Konservierung der Exon-Grenzen untersucht und ihr Verhalten mithilfe energielandschaftstheoretischer Messungen bewertet“, sagte Wolynes, Professor für Naturwissenschaften der DR Bullard-Welch Foundation, Professor für Chemie, Biowissenschaften, Physik und Astronomie und Co-Direktor des Center for Theoretical Biological Physics (CTBP).

Als in den 1970er Jahren Genstücke entdeckt wurden, wurde sofort angenommen, dass diese Struktur durch das Aufbrechen der Sequenz dabei half, faltbare Proteine ​​aufzubauen. Als Forscher sich dies in den 1990er Jahren erneut ansahen, waren die vorhandenen Daten nicht eindeutig, sagte Wolynes.

Das Team hat nun Exons als potenzielle Proteinfaltungsmodule in 38 häufig vorkommenden und konservierten Proteinfamilien untersucht. Über Generationen hinweg können sich Exons zufällig im Genom verschieben, was zu erheblichen Veränderungen in Genen und zur Entstehung neuer Proteine ​​führt. Die Ergebnisse zeigten Abweichungen in der Exongrößenverteilung vom exponentiellen Zerfall, was auf eine evolutionäre Selektion schließen lässt.

„Proteinfaltung und Evolution sind eng miteinander verbundene Phänomene“, sagte Ezequiel Galpern, ein Postdoktorand an der Universität von Buenos Aires.

Natürliche Proteine ​​sind lineare Aminosäureketten, die sich normalerweise zu kompakten dreidimensionalen Strukturen falten, um biologische Funktionen zu erfüllen. Die spezifische Aminosäuresequenz bestimmt die endgültige 3D-Struktur. Daher ist die Idee, dass Exons in unabhängig gefaltete Proteinbereiche oder Foldons übersetzt werden, sehr attraktiv.

Mithilfe von Computermethoden maßen die Forscher die Wahrscheinlichkeit, mit der sich die durch ein Exon codierte Aminosäurekette zu einer stabilen 3D-Struktur faltet, die dem vollständigen Protein ähnelt. Ihre Ergebnisse zeigten, dass zwar nicht alle Exons zu faltbaren Modulen führten, die konserviertesten Exons, die durchgängig in verschiedenen Organismen gefunden werden, jedoch mit besseren Foldons korrespondierten.

Die Studie fand eine Korrelation zwischen Proteinfaltung und Evolution in bestimmten globulären Proteinfamilien. Bei der Proteinfaltung werden Aminosäureketten räumlich gefaltet, um biologische Funktionen innerhalb relevanter Zeiträume auszuführen. Diese Korrelation ist ein grundlegendes Konzept in der Proteinwissenschaft, das anhand genomischer Daten und Energiefunktionen bewertet wird.

Interessanterweise galt der allgemeine Trend nicht für alle Proteinfamilien, was darauf schließen lässt, dass andere biologische Faktoren die Proteinfaltung und -evolution beeinflussen könnten. Die Arbeit der Forscher ebnet den Weg für zukünftige Studien zum Verständnis dieser zusätzlichen Faktoren und ihrer Auswirkungen auf die Evolutionsbiologie.

Zum Forschungsteam gehören Carlos Bueno, ein Postdoktorand am CTPB, Hana Jaafari, eine Doktorandin der angewandten Physik an der Rice University, und Diego U. Ferreiro, ein Professor an der Universität von Buenos Aires.