Studie gibt Einblicke in die Proteinevolution

Peter Wolynes von der Rice University und sein Forschungsteam haben einen Durchbruch beim Verständnis der Entwicklung bestimmter genetischer Sequenzen, sogenannter Pseudogene, erzielt. Ihr Papier war veröffentlicht 13. Mai im Verfahren der Nationalen Akademie der Wissenschaften.

Unter der Leitung von Wolynes, Professor für Naturwissenschaften an der DR Bullard-Welch Foundation, Professor für Chemie, Biowissenschaften und Physik sowie Astronomie und Co-Direktor des Zentrums für Theoretische Biologische Physik (CTBP), konzentrierte sich das Team auf die Entschlüsselung der komplexen Energielandschaften von entwickelte, mutmaßliche Proteinsequenzen, die Pseudogenen entsprechen.

Pseudogene sind DNA-Segmente, die einst Proteine ​​kodierten, inzwischen aber aufgrund von Sequenzabbau ihre Fähigkeit dazu verloren haben – ein Phänomen, das als Devolution bezeichnet wird. Hier stellt die Devolution einen uneingeschränkten Evolutionsprozess dar, der ohne den üblichen evolutionären Druck abläuft, der funktionelle proteinkodierende Sequenzen reguliert.

Trotz ihres inaktiven Zustands bieten Pseudogene einen Einblick in die Evolutionsreise von Proteinen.

„Unsere Arbeit erklärt, dass sich Proteine ​​verändern können“, sagte Wolynes. „Eine DNA-Sequenz kann durch Mutationen oder auf andere Weise das Signal verlieren, das sie anweist, für ein Protein zu kodieren. Die DNA mutiert weiter, muss aber nicht zu einer Sequenz führen, die sich falten kann.“

Die Forscher untersuchten Junk-DNA in einem Genom, das sich zurückentwickelt hat. Ihre Forschung ergab, dass eine Anhäufung von Mutationen in pseudogenen Sequenzen typischerweise das native Netzwerk stabilisierender Wechselwirkungen stört, was es für diese Sequenzen, wenn sie übersetzt werden sollten, schwierig macht, sich in funktionelle Proteine ​​zu falten.

Die Forscher beobachteten jedoch Fälle, in denen bestimmte Mutationen unerwartet die Faltung von Pseudogenen stabilisierten, auf Kosten ihrer früheren biologischen Funktionen.

Sie identifizierten spezifische Pseudogene wie Cyclophilin A, Profilin-1 und das kleine Ubiquitin-ähnliche Modifikator-2-Protein, bei denen stabilisierende Mutationen in Regionen auftraten, die für die Bindung an andere Moleküle und andere Funktionen entscheidend sind, was auf ein komplexes Gleichgewicht zwischen Proteinstabilität und biologischer Aktivität schließen lässt.

Darüber hinaus unterstreicht die Studie die dynamische Natur der Proteinevolution, da einige zuvor pseudogenisierte Gene trotz mehrfacher Mutationen im Laufe der Zeit ihre proteinkodierende Funktion wiedererlangen können.

Mithilfe ausgefeilter Rechenmodelle interpretierten die Forscher das Zusammenspiel zwischen physischen Faltlandschaften und den Evolutionslandschaften von Pseudogenen. Ihre Ergebnisse belegen, dass der trichterartige Charakter von Faltlandschaften auf die Evolution zurückzuführen ist.

„Proteine ​​können sich im Laufe der Zeit aufgrund von Mutationen oder anderen Ursachen verändern und ihre Fähigkeit, sich zu falten, beeinträchtigt werden“, sagte Wolynes. „Unsere Studie liefert den ersten direkten Beweis dafür, dass die Evolution die Faltung von Proteinen beeinflusst.“

Zum Forschungsteam gehören neben Wolynes die Hauptautorin und Doktorandin der angewandten Physik Hana Jaafari; CTBP-Postdoktorand Carlos Bueno; Jonathan Martin, Doktorand an der University of Texas in Dallas; Faruck Morcos, außerordentlicher Professor am Department of Biological Sciences der UT-Dallas; und CTBP-Biophysikforscher Nicholas P. Schafer.

Die Auswirkungen dieser Forschung gehen über die theoretische Biologie hinaus und bieten potenzielle Anwendungen im Protein-Engineering, sagte Jaafari.

„Es wäre interessant zu sehen, ob jemand in einem Labor unsere Ergebnisse bestätigen könnte, um zu sehen, was mit den physikalisch stabileren Pseudogenen passiert“, sagte Jaafari. „Wir haben eine Idee, die auf unserer Analyse basiert, aber es wäre zwingend, eine experimentelle Validierung zu erhalten.“