מחקר חדש מאוניברסיטת ויסקונסין-מדיסון מפענח את המסלול האבולוציוני של חלבונים מווסתים, המולקולות המסייעות לשלוט בביטוי הגנים.
הממצאים ממעבדת רמן במחלקה לביוכימיה פרסמו לאחרונה את ממצאיהם בכתב העת מערכות תאים. הנה תקציר על מה שהם גילו:
- חלבונים רוכשים ומאבדים תפקודים באמצעות תהליכים אבולוציוניים כאשר תאים מסתגלים לשינויים בסביבתם לאורך זמן.
- התפתחות החלבון נחקרת היטב באנזימים מסוימים, אך היא לא נחקרת בחלבונים מווסתים, שעוזרים לשלוט בביטוי הגנים.
- מחקר חדש ומקיף של האבולוציה של חלבון רגולטורי אחד מגלה שהאופן שבו חלבונים מתפתחים כדי לצבור ולאבד תפקודים לאורך זמן שונה בין מחלקות החלבונים. בעוד שחלק מהחלבונים מתפתחים בצורה שלבית, לאט לאט צוברים או מאבדים תפקודים לאורך זמן, חלבונים שמופקדים על שליטה בפונקציות חשובות כמו ביטוי גנים עוקבים אחר דפוס אבולוציוני שמגן עליהם מביצוע פונקציות מרובות בו-זמנית.
איזה מידע רקע אתה צריך לדעת?
החוחיות של הגלפגוס, המתוארות על ידי דרווין, משמשות לעתים קרובות כדוגמה המובהקת לאבולוציה. עם הזמן, מוטציות גנטיות המתרחשות באופן טבעי הובילו לשינויים קטנים ומצטברים במראה הציפורים. שינויים שהעניקו לחוחיות יתרון הועברו לדורות הבאים, והביאו בסופו של דבר למגוון צורות מקור וצורות גוף המותאמות היטב לתזונה ולטכניקות שונות.
גם ביומולקולות מתפתחות עם הזמן כדי לרכוש פונקציות חדשות ומאבדות כאלה מיותרות בתגובה לשינויים בסביבת התא, כמו חשיפה למולקולות חדשות או החדרת פתוגנים. אבולוציה זו היא תהליך מתמשך המעדיף מוטציות המאפשרות לאורגניזמים לתפקד ביעילות וביעילות.
לדוגמה, מדענים יודעים כי אנזימים -; מחלקה של חלבונים שאחראים על התחלה והאצת תגובות ביוכימיות -; להתפתח בהדרגה. מוטציות בודדות מצטברות, ובסופו של דבר מעניקות לאנזים פונקציה חדשה בתא.
אבל דפוס אבולוציה זה אינו נכון לגבי כל סוגי החלבונים.
מדוע הדפוסים האבולוציוניים שונים בין חלבונים?
בעוד שחלק מהחלבונים יכולים להתפתח בהדרגה כדי לשנות את התפקודים שלהם, לפעמים אפילו לבצע פונקציות מרובות בשלבים לאורך הדרך, לחלבונים מווסתים יש מערכת עדינה יותר לאיזון.
חלבונים רגולטוריים עוזרים לשלוט בביטוי הגנים, מפעילים ומכבים גנים כמו מתג אור. אם מתג אור יחיד שולט בביטוי של גנים מרובים, הופך להיות קשה יותר לשלוט בביטוי של רק אחד מהגנים. זו הסיבה שלחלבונים רגולטוריים יש בדרך כלל קבוצה מוגבלת של פונקציות: ביצוע פונקציות מרובות הקשורות עלול להוביל להשפעות קטסטרופליות, כולל מוות של תאים, שינוי בביטוי גנים או חלוקה תאית בלתי מבוקרת, מה שעלול לגרום לגידולים. ההימור של מוטציה והתפתחות גבוה יותר כאשר תפקוד החלבון כה חשוב ומורכב.
כיצד התקדמו מדענים?
כדי להבין טוב יותר את המסלול האבולוציוני של חלבונים מווסתים, Vatsan Raman וחוקרים במעבדתו מיפו את האבולוציה במשך אלפי שנים של סוג מסוים של חלבון רגולטורי שנקרא מווסת שעתוק. חלבון זה עוזר לשלוט בקצב שבו RNA מסונתז מה-DNA.
הם הוציאו היסטוריה סבירה של המוטציות של החלבון באמצעות מודלים ממוחשבים. גישה זו העניקה להם מאות רצפי DNA נוספים המייצגים את ההיסטוריה האבולוציונית של החלבון מאשר במחקרים קודמים. באמצעות נתונים אלה, הם עקבו אחר המוטציות הסבירות של החלבון -; והרווח ואיבוד התפקוד כתוצאה מכך -; חושפת דפוס אבולוציוני חדשני.
בניגוד לדפוסים הצעדים הנראים באנזימים, חלבונים מווסתים שעתוק מקבלים במהירות או מאבדים תפקוד כאשר הם רוכשים מוטציות. השינוי המהיר הזה עוזר להם לשמור על התפקיד הייחודי שלהם קשירה למולקולות ספציפיות, ומונע מהם לבצע מספר תפקידים בו זמנית.
ראמאן וצוותו מאמינים שהדפוס האבולוציוני שחשף מחקרם במווסת תעתיק עשוי להופיע גם בחלבונים מווסתים אחרים. הבנה מעמיקה יותר של הנוף האבולוציוני של מווסת תעתוק תסייע למדענים לתכנן מווסתים חדשים לשלוט במעגלי גנים, לחוש מולקולות, להנדס מסלולים ביו-סינתטיים ולנטר מטבוליטים תאיים, ולפתוח את הדלת לתגליות ביו-רפואיות וביוטכנולוגיות חדשות.
