Zespół Petera Wolynesa z Rice University odkrył, w jaki sposób pseudogeny ewoluują i wpływają na zwijanie białek, ujawniając nieoczekiwane skutki mutacji. Ich badanie podkreśla potencjał odzyskiwania przez niektóre pseudogeny zdolności kodowania białek, co ma konsekwencje dla inżynierii białek. (Koncepcja artysty). Źródło: SciTechDaily.com

Peter Wolynes i jego zespół badawczy z Rice University dokonali znaczącego przełomu w zrozumieniu ewolucji określonych sekwencji genetycznych zwanych pseudogenami. Wyniki ich badań opublikowano niedawno w czasopiśmie Proceedings of National Academy of Sciences (PNAS).

Zespół kierowany przez Wolynesa, profesora nauk ścisłych Fundacji DR Bullarda-Welcha, profesora chemii, nauk biologicznych, fizyki i astronomii oraz współdyrektora Centrum Teoretycznej Fizyki Biologicznej (CTBP), zespół skupił się na rozszyfrowaniu złożonych krajobrazów energetycznych de -ewoluowały domniemane sekwencje białkowe odpowiadające pseudogenom.

Pseudogeny to segmenty DNA które niegdyś kodowały białka, ale utraciły tę zdolność z powodu degradacji sekwencji — zjawisko określane jako dewolucja. Tutaj decentralizacja reprezentuje nieograniczony proces ewolucyjny, który zachodzi bez zwykłych nacisków ewolucyjnych, które regulują funkcjonalne sekwencje kodujące białka.

Pomimo swojego stanu nieaktywnego, pseudogeny oferują wgląd w ewolucyjną podróż białek.

Wgląd w deewolucję białek

„Nasz artykuł wyjaśnia, że ​​białka mogą ulegać deewolucji” – powiedział Wolynes. „Sekwencja DNA może w wyniku mutacji lub w inny sposób utracić sygnał nakazujący kodowanie białka. DNA nadal mutuje, ale nie musi prowadzić do sekwencji, która może się złożyć”.

Naukowcy badali śmieciowe DNA w genomie, który uległ deewolucji. Ich badania wykazały, że akumulacja mutacji w sekwencjach pseudogenów zazwyczaj zakłóca natywną sieć interakcji stabilizujących, co utrudnia złożenie tych sekwencji w funkcjonalne białka, jeśli mają one ulec translacji.

Peter Wolynes i jego zespół badawczy z Rice University dokonali przełomu w zrozumieniu ewolucji pseudogenów. Źródło: Gustavo Raskosky/Uniwersytet Rice

Naukowcy zaobserwowali jednak przypadki, w których pewne mutacje nieoczekiwanie stabilizowały zwijanie pseudogenów kosztem zmiany ich wcześniejszych funkcji biologicznych.

Zidentyfikowali specyficzne pseudogeny, takie jak cyklofilina A, profilina-1 i małe białko modyfikatora 2 podobne do ubikwityny, w których mutacje stabilizujące wystąpiły w regionach kluczowych dla wiązania się z innymi cząsteczkami i innych funkcji, co sugeruje złożoną równowagę między stabilnością białka a aktywnością biologiczną.

Co więcej, badanie podkreśla dynamiczną naturę ewolucji białek, ponieważ niektóre wcześniej pseudogenizowane geny mogą z czasem odzyskać swoją funkcję kodowania białek pomimo przechodzenia wielokrotnych mutacji.

Wykorzystując wyrafinowane modele obliczeniowe, naukowcy zinterpretowali wzajemne oddziaływanie między fizycznymi krajobrazami składanymi a krajobrazami ewolucyjnymi pseudogenów. Ich odkrycia dostarczają dowodów na to, że lejkowaty charakter składanych krajobrazów pochodzi z ewolucji.

„Białka mogą z czasem ulegać deewolucji, a ich zdolność do zwijania się pogarsza z powodu mutacji lub innych czynników” – powiedział Wolynes. „Nasze badanie dostarcza pierwszego bezpośredniego dowodu na to, że ewolucja kształtuje zwijanie się białek”.

Oprócz Wolynesa w skład zespołu badawczego wchodzi główna autorka i absolwentka fizyki stosowanej Hana Jaafari; współpracownik podoktorski CTBP Carlos Bueno; Absolwent Uniwersytetu Teksasu w Dallas Jonathan Martin; Faruck Morcos, profesor nadzwyczajny na Wydziale Nauk Biologicznych UT-Dallas; oraz badacz biofizyki CTBP Nicholas P. Schafer.

Konsekwencje tych badań wykraczają poza biologię teoretyczną i obejmują potencjalne zastosowania w inżynierii białek, powiedział Jaafari.

„Byłoby ciekawie zobaczyć, czy ktoś w laboratorium mógłby potwierdzić nasze wyniki i zobaczyć, co dzieje się z pseudogenami, które były bardziej stabilne fizycznie” – powiedział Jaafari. „Mamy pomysł oparty na naszej analizie, ale przekonujące byłoby uzyskanie potwierdzenia eksperymentalnego”.

Odniesienie: „Fizyczne i ewolucyjne krajobrazy energii zdecentralizowanych sekwencji białek odpowiadających pseudogenom” Hany Jaafari, Carlosa Bueno, Nicholasa P. Schafera, Jonathana Martina, Farucka Morcosa i Petera G. Wolynesa, 13 maja 2024 r., Postępowanie Narodowej Akademii Nauk.
DOI: 10.1073/pnas.2322428121