Forscher enthüllen Evolutionspfad wichtiger Proteine

Neue Forschungsergebnisse der University of Wisconsin-Madison entschlüsseln den Evolutionsweg regulatorischer Proteine, der Moleküle, die bei der Steuerung der Genexpression helfen.

Das Raman-Labor in der Abteilung für Biochemie vor kurzem veröffentlicht ihre Ergebnisse in der Zeitschrift Zellsysteme. Hier ist ein Überblick über das, was sie entdeckt haben:

Welche Hintergrundinformationen müssen Sie wissen?

Die von Darwin berühmt beschriebenen Finken der Galapagosinseln werden oft als Inbegriff der Evolution herangezogen. Im Laufe der Zeit führten natürlich vorkommende genetische Mutationen zu kleinen, schrittweisen Veränderungen im Aussehen der Vögel. Veränderungen, die den Finken einen Vorteil verschafften, wurden an nachfolgende Generationen weitergegeben, was schließlich zu einer Vielzahl von Schnabel- und Körperformen führte, die sich gut an verschiedene Ernährungsweisen und Futtersuchtechniken anpassten.

Auch Biomoleküle entwickeln sich im Laufe der Zeit weiter, um neue Funktionen zu erlangen und unnötige Funktionen zu verlieren, wenn sich die Umgebung einer Zelle verändert, etwa wenn sie neuen Molekülen ausgesetzt sind oder Krankheitserreger eingeschleppt werden. Diese Entwicklung ist ein fortlaufender Prozess, der Mutationen begünstigt, die es Organismen ermöglichen, effektiv und effizient zu funktionieren.

Wissenschaftler wissen beispielsweise, dass sich Enzyme – eine Klasse von Proteinen, die für den Start und die Beschleunigung biochemischer Reaktionen verantwortlich sind – schrittweise weiterentwickeln. Einzelne Mutationen häufen sich und verleihen dem Enzym letztendlich eine neue Funktion in einer Zelle.

Allerdings gilt dieses Evolutionsmuster nicht für alle Proteinklassen.

Warum unterscheiden sich die Evolutionsmuster zwischen Proteinen?

Während sich einige Proteine ​​schrittweise weiterentwickeln können, um ihre Funktionen zu ändern und manchmal sogar mehrere Funktionen in den einzelnen Schritten auf dem Weg zu erfüllen, müssen regulatorische Proteine ​​ein empfindlicheres System ausbalancieren.

Regulatorische Proteine ​​helfen bei der Kontrolle der Genexpression, indem sie Gene wie einen Lichtschalter ein- und ausschalten. Wenn ein einzelner Lichtschalter die Expression mehrerer Gene steuert, wird es schwieriger, die Expression nur eines der Gene zu steuern.

Aus diesem Grund haben regulatorische Proteine ​​typischerweise eine begrenzte Anzahl an Funktionen: Die Ausführung mehrerer zusammengehöriger Funktionen kann zu katastrophalen Auswirkungen führen, einschließlich Zelltod, veränderter Genexpression oder unkontrollierter Zellteilung, was zu Tumoren führen kann. Die Risiken der Mutation und Weiterentwicklung sind höher, wenn die Funktion eines Proteins so wichtig und komplex ist.

Wie haben Wissenschaftler Fortschritte gemacht?

Um den evolutionären Verlauf regulatorischer Proteine ​​besser zu verstehen, haben Vatsan Raman und Forscher in seinem Labor die Entwicklung einer bestimmten Art von regulatorischem Protein namens Transkriptionsregulator über Jahrtausende hinweg kartiert. Dieses Protein hilft dabei, die Geschwindigkeit zu kontrollieren, mit der RNA aus DNA synthetisiert wird.

Mithilfe von Computermodellen extrapolierten sie einen wahrscheinlichen Verlauf der Mutationen des Proteins. Dieser Ansatz lieferte ihnen Hunderte weitere DNA-Sequenzen, die die Evolutionsgeschichte des Proteins darstellen, als in früheren Studien verwendet wurden. Anhand dieser Daten verfolgten sie die wahrscheinlichen Mutationen des Proteins – und den daraus resultierenden Funktionszuwachs und -verlust – und enthüllten ein neuartiges Evolutionsmuster.

Im Gegensatz zu den schrittweisen Mustern, die bei Enzymen beobachtet werden, gewinnen oder verlieren Transkriptionsregulationsproteine ​​schnell ihre Funktion, wenn sie Mutationen erwerben. Diese schnelle Veränderung hilft ihnen, ihre einzigartige Rolle bei der Bindung an bestimmte Moleküle aufrechtzuerhalten und verhindert so, dass sie mehrere Rollen gleichzeitig übernehmen.

Raman und sein Team glauben, dass das evolutionäre Muster, das ihre Studie bei Transkriptionsregulatoren aufgedeckt hat, auch bei anderen regulatorischen Proteinen beobachtet werden kann. Ein tieferes Verständnis der Evolutionslandschaft der Transkriptionsregulatoren wird Wissenschaftlern dabei helfen, neue Regulatoren zu entwickeln, um Genschaltkreise zu steuern, Moleküle zu erkennen, Biosynthesewege zu konstruieren und zelluläre Metaboliten zu überwachen und so die Tür für neue biomedizinische und biotechnologische Entdeckungen zu öffnen.