פריצת דרך בגנטיקה של חלבונים: מדענים חושפים כיצד פסאודוגנים מתפתחים

פיטר וולינס מאוניברסיטת רייס וצוות המחקר שלו עשו פריצת דרך משמעותית בהבנת האבולוציה של רצפים גנטיים ספציפיים הידועים כפסאודוגנים. ממצאיהם פורסמו לאחרונה בכתב העת הליכים של האקדמיה הלאומית למדעים.

בהובלת וולינס, פרופסור למדע של קרן DR Bullard-Welch Foundation, פרופסור לכימיה, מדעי ביו ופיזיקה ואסטרונומיה, ומנהל שותף של המרכז לפיזיקה ביולוגית תיאורטית (CTBP), הצוות התמקד בפענוח נופי האנרגיה המורכבים של דה התפתחו רצפי חלבון משוערים התואמים לפסאודוגנים.

פסאודוגנים הם מקטעים של DNA שקודדו פעם לחלבונים, אבל מאז איבדו את יכולתם לעשות זאת עקב פירוק הרצף – תופעה המכונה אצירה. כאן, האצלה מייצגת תהליך אבולוציוני בלתי מוגבל המתרחש ללא הלחצים האבולוציוניים הרגילים המווסתים רצפים תפקודיים של קידוד חלבון.

למרות מצבם הבלתי פעיל, פסאודוגנים מציעים צוהר למסע האבולוציוני של חלבונים.

תובנות לגבי דה-אבולוציה של חלבון

"המאמר שלנו מסביר שחלבונים יכולים להתפתח", אמר וולינס. "רצף DNA יכול, על ידי מוטציות או אמצעים אחרים, לאבד את האות שמורה לו לקודד לחלבון. הדנ"א ממשיך לעבור מוטציה אבל לא חייב להוביל לרצף שיכול להתקפל".

החוקרים חקרו דנ"א זבל בגנום שהתפתח. המחקר שלהם גילה שהצטברות מוטציה ברצפים פסאודוגניים משבשת בדרך כלל את הרשת המקומית של אינטראקציות מייצבות, מה שהופך את זה למאתגר עבור רצפים אלה, אם הם היו מתורגמים, להתקפל לחלבונים פונקציונליים.

עם זאת, החוקרים הבחינו במקרים שבהם מוטציות מסוימות ייצבו באופן בלתי צפוי את התקפלות הפסאודוגנים במחיר של שינוי התפקודים הביולוגיים הקודמים שלהם.

הם זיהו פסאודוגנים ספציפיים, כמו ציקלופילין A, פרופילין-1 וחלבון קטן דמוי יוביקוויטין 2, שבהם התרחשו מוטציות מייצבות באזורים חיוניים לקישור למולקולות אחרות ולתפקודים אחרים, מה שמצביע על איזון מורכב בין יציבות חלבון ופעילות ביולוגית.

יתרה מכך, המחקר מדגיש את האופי הדינמי של אבולוציה של חלבון שכן כמה גנים שעברו פסאודוגן עשויים להחזיר את תפקודם המקודדים לחלבון לאורך זמן למרות שעברו מוטציות מרובות.

באמצעות מודלים חישוביים מתוחכמים, החוקרים פירשו את יחסי הגומלין בין נופים פיזיים מתקפלים לנופים האבולוציוניים של פסאודוגנים. הממצאים שלהם מספקים עדות לכך שהאופי דמוי המשפך של נופים מתקפלים נובע מהאבולוציה.

"חלבונים יכולים להתפתח ויכולת הקיפול שלהם נפגעת לאורך זמן בגלל מוטציות או אמצעים אחרים", אמר וולינס. "המחקר שלנו מציע את ההוכחה הישירה הראשונה לכך שהאבולוציה מעצבת את קיפול החלבונים."

יחד עם וולינס, צוות המחקר כולל סופרת ראשית וסטודנטית לתואר שני בפיזיקה יישומית האנה ג'עפרי; עמית פוסט-דוקטורט ב-CTBP, קרלוס בואנו; סטודנט לתואר שני באוניברסיטת טקסס בדאלאס ג'ונתן מרטין; פארוק מורקוס, פרופסור חבר במחלקה למדעי הביולוגיה ב-UT-Dallas; וחוקר ביו-פיזיקה CTBP ניקולס פ. שפר.

ההשלכות של מחקר זה חורגות מעבר לביולוגיה תיאורטית עם יישומים פוטנציאליים בהנדסת חלבונים, אמר ג'עפרי.

"יהיה מעניין לראות אם מישהו במעבדה יוכל לאשר את התוצאות שלנו כדי לראות מה קורה לפסאודוגנים שהיו יציבים יותר פיזית", אמר ג'עפרי. "יש לנו רעיון המבוסס על הניתוח שלנו, אבל זה יהיה משכנע לקבל אימות ניסיוני."