Untersuchung der Evolution von Proteinen

Proteine ​​gibt es schon viel länger als wir – als Bausteine ​​der biologischen Evolution hängt unsere Existenz von ihnen ab. Und jetzt wenden Forscher des Georgia Institute of Technology ein theoretisches Konzept aus dem 20. Jahrhundert an, um zu untersuchen, wie sich Proteine ​​entwickeln, und es könnte zur Antwort auf eine der ältesten Fragen der Menschheit führen: Wie wurden wir zu uns?

In einer typischen menschlichen Zelle befinden sich Zehntausende von Proteinen. Wir brauchen so viele, weil Proteine ​​die Facharbeiter der Zelle sind und jedes einzelne eine bestimmte Aufgabe erfüllt. Einige verleihen Muskelzellen oder Neuronen Festigkeit. Andere binden an spezifische, zielgerichtete Moleküle und befördern sie an neue Orte. Und es gibt andere, die den Prozess der Zellteilung und des Zellwachstums aktivieren.

Die spezifische Funktion eines Proteins hängt von seiner Form ab, und um seine funktionelle Form – seinen nativen Zustand – zu erreichen, faltet sich ein Protein. Ein Protein beginnt sein Leben als eine lange Kette von Aminosäuren, die Polypeptide genannt werden. Die Sequenz der Aminosäuren bestimmt, wie sich die Proteinkette faltet und eine komplexe 3D-Struktur bildet, die es dem Protein ermöglicht, eine beabsichtigte Aufgabe zu erfüllen.

Im Labor von Loren Williams verwenden Forscher „kreative Zerstörung“ als Modell für die Evolution und Innovation von Proteinfaltungen. Der Begriff, der in den 1940er Jahren vom österreichischen Ökonomen und Politikwissenschaftler Joseph Schumpeter geprägt wurde, beschreibt die bewusste Demontage eines Bewährten wie des kabelgebundenen Telefons, um etwas Neues wie das Smartphone zu entwickeln.

„Wir haben Proteinstrukturen, die sich über fast vier Milliarden Jahre entwickelt haben, und wir verstehen nicht wirklich, woher sie kommen oder wie sie zu dem wurden, was sie sind“, sagte Claudia Alvarez-Carreño, Postdoktorandin im Williams-Labor. das Zentrum für den Ursprung des Lebens oder COOL genannt wird. „Es ist ein sehr komplexer Prozess, diese Strukturen zu bilden, und es gibt viele Hypothesen darüber, wie sie in der frühen Evolution entstanden sein könnten.“

Raus mit dem Alten, rein mit dem Neuen

Alvarez-Carreño ist der Hauptautor des kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikels „Creative Destruction: New Protein Folds from Old“. Proceedings of the National Academy of Sciencesoder PNAS. Sie und ihre Co-Autoren (Williams, Rohan Gupta und Anton Petrov) gruben die tiefste Evolutionsgeschichte aus, die innerhalb der Übersetzungsmaschinerie gefunden wurde – die in allen Zellen des Ribosoms angesiedelt ist und der Geburtsort aller Proteine ​​ist.

Die Forscher liefern Beweise, die die gemeinsamen Ursprünge einiger der einfachsten, ältesten und häufigsten Proteinfaltungen unterstützen. Es deutet auf eine Form kreativer Zerstörung hin und erklärt, wie einfache Proteinfaltungen komplexere Faltungen hervorbringen.

Sie entdeckten, dass, sobald ein Protein sich falten und seine 3D-Struktur erreichen kann, diese Kombination leicht zu einer neuen Struktur werden kann, wenn es mit einem anderen Protein kombiniert wird, das sich zu einer anderen 3D-Struktur gefaltet hat. „Vielleicht ist es also nicht so schwierig, wie wir dachten, von einer Struktur zur anderen zu gelangen“, sagte Williams, Professor an der School of Chemistry and Biochemistry. „Und vielleicht kann dies die Vielfalt der Proteinstrukturen erklären, die wir heute sehen.“

In Schumpters kreativem Zerstörungsmodell beinhaltet die Entwicklung von „Tochterprodukten“ die Zerstörung von Vorfahrenprodukten. „Tochterprodukte können Merkmale von Vorfahren erben, sich aber im Wesentlichen von ihnen unterscheiden“, schreiben sie in der Zeitung. Im Beispiel des Smartphones werden kabelgebundene Telefone, Computer, Kameras, globale Positionsbestimmung und andere Technologien der Vorfahren verschmolzen, um eine Tochter zu schaffen, dh das Smartphone.

Die Tochter erbt viele Merkmale der Vorfahren. Diese Merkmale, die bei der Tochter auf spezifische Weise interagieren, schaffen neue Funktionsnischen, die bei den Vorfahren nicht zugänglich oder gar möglich waren.

„Die kreative Zerstörung von Proteinfalten könnte also einen Großteil der Vielfalt ausmachen, die wir sehen“, sagte Williams.

Molekulare Verschmelzungen

Seit die einfachsten und ältesten Proteinfaltungen vor Milliarden von Jahren auf der Erde entstanden sind, hat sich die Anzahl der Faltungen erweitert, um das Universum der Proteinfunktion zu bilden, das wir in der modernen Biologie sehen.

Aber die Ursprünge von Proteinfaltungen und die beteiligten Evolutionsmechanismen werfen zentrale Fragen in der Biologie auf, die Williams und sein Team untersucht haben. Wie sind zum Beispiel Proteinfaltungen entstanden und was führte zu den vielfältigen Proteinfaltungen in heutigen biologischen Systemen, und warum brachten fast vier Milliarden Jahre Faltungsevolution weniger als 2.000 verschiedene Faltungen hervor?

Die Forscher glauben, dass kreative Zerstörung verallgemeinert werden kann, um vieles davon zu erklären.

Bei der kreativen Zerstörung, erklären sie, verschmilzt ein offener Leserahmen – die Spanne der DNA-Sequenz, die ein Protein kodiert – mit einem anderen, um ein fusioniertes Polypeptid zu erzeugen. Die Fusion zwingt diese beiden Vorfahren in eine neue Struktur. Das resultierende Polypeptid kann eine Form erreichen, die für keinen der unabhängigen Vorfahren vor der Fusion zugänglich war. Aber diese neuen Falten sind nicht völlig unabhängig von den alten. Das heißt, eine Tochterfamilie erbt einige Dinge von der Ahnenfamilie.

Dies haben Williams und sein Team im Großen und Ganzen beobachtet, und sie glauben, dass ihr Modell der kreativen Zerstörung eine gewisse Anwendung bei der Untersuchung von Krankheiten hat – Proteine, die sich nicht richtig falten, können die Gesundheit der Zellen und des aus diesen Zellen bestehenden Menschen beeinträchtigen.

„Zum Beispiel denken wir, dass dieser Prozess in der Krebsbiologie wichtig ist – es gibt viele, viele Proteine, die bei Krebs fusioniert sind und sich unserer Meinung nach neu gefaltet haben“, sagte Williams. „Und es gibt die Welt der Proteinaggregationskrankheiten wie Parkinson oder Alzheimer und Proteine, die sich nicht richtig gefaltet oder neu gefaltet haben.“

Aber im Moment sind Williams und sein Team am meisten daran interessiert, wie ihr kreatives Zerstörungsmodell ihnen hilft, einige der tiefsten Fragen unserer Evolution zu verstehen.

„Wo kommen wir her“, sagte Williams. „Kreative Zerstörung könnte uns helfen zu verstehen, woher die Proteine ​​in unserem Körper kommen und wie wir zu dem wurden, was wir sind.“