Multifunctional proteins and evolution (available in greek only)
Πολυλειτουργικές πρωτεΐνες και εξέλιξη
Εισαγωγή
Σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε τις διάφορες κατηγορίες πολυλειτουργικών πρωτεϊνών και τη σχέση τους με την εξέλιξη.
Μultidomain πρωτεΐνες
Πρόκειται για πρωτεΐνες που αποτελούνται από περισσότερες από μια αυτοτελείς δομικές περιοχές / επικράτειες (domains). Η πλειοψηφία των πρωτεϊνών (περίπου τα 2⁄3 στους μονοκύτταρους οργανισμούς και πάνω από το 80% στα μετάζωα) ανήκουν σε αυτήν την κατηγορία. Πολλά από τα αυτοτελή δομικά στοιχεία από τα οποία αποτελούνται οι πρωτεΐνες των ευκαρυωτικών οργανισμών μπορούν να βρεθούν ως ανεξάρτητες (ομόλογες;) πρωτεΐνες στους προκαρυωτικούς.
Πλειοτροπισμός
Φαινόμενο κατά το οποίο μια λειτουργία εμπλέκεται σε πολλαπλές διεργασίες. Έτσι, μια πρωτεΐνη με μια λειτουργία μπορεί να έχει πολλούς διαφορετικούς ρόλους, να αλληλεπιδρά σε πολλά μονοπάτια (λ.χ. ένα ένζυμο που μετέχει σε αρκετές μεταβολικές πορείες).
Μεταμορφικές πρωτεΐνες
Μεταμορφικές ονομάζονται οι πρωτεΐνες που εναλλάσσονται μεταξύ δύο ή και περισσοτέρων τρισδιάστατων δομών με διαφορετική λειτουργία. Η λεμφοτακτίνη αποτελεί ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα μεταμορφικής πρωτεΐνης. Η πρωτεΐνη αυτή προσδένεται σε μόρια της εξωκυττάριας ουσίας (λ.χ. στην γλυκοζαμινογλυκάνη ηπαρίνη), προσελκύει Τ-λεμφοκύτταρα και ενεργοποιεί υποδοχείς GPCR. Η στερεοδιαμόρφωση που ενεργοποιεί τους υποδοχεις GPCR (περιέχει μια β-πτυχωτή επιφάνεια τριών κλώνων και μια α-έλικα) διαφέρει σημαντικά από τη στερεοδιαμόρφωση με την οποία προσδένεται στην ηπαρίνη (αποτελείται από ένα β-sandwich από 4+4 β-κλώνους). Οι ερευνητές πιστεύουν ότι αυτή η αλλαγή γίνεται in vivo χωρίς να απαιτούνται αλλαγές στις συνθήκες.
Moonlighting πρωτεΐνες
Moonlighting πρωτεΐνες ονομάζουμε αυτές που έχουν πάνω από μια ανεξάρτητες λειτουργίες (η απώλεια της μιας λειτουργίας δεν επηρεάζει τις υπόλοιπες) στην ίδια αυτοτελή δομική περιοχή. Πιθανότατα, πρόκειται για πρωτεΐνες που, ενώ αρχικά διέθεταν μια μόνο λειτουργία, μέσω της εξέλιξης απέκτησαν επιπρόσθετες. Οι moonlighting πρωτεΐνες έχουν προκύψει με το μηχανισμό του μοιράσματος κοινού γονιδίου (“gene sharing”), ο οποίος διαφέρει από τη χρήση ενός γονιδίου για την παραγωγή διαφορετικών πρωτεϊνών λόγω ανακατανομής DNA (DNA rearrangement), εναλλακτικής συρραφής (alternative splicing), ή μετα-μεταφραστικής τροποποίησης (post-translational processing).
Το «protein moonlighting by gene sharing» σημαίνει ότι ένα γονίδιο μπορεί να αποκτήσει και να συντηρήσει μια δεύτερη λειτουργία χωρίς γονιδιακό διπλασιασμό και χωρίς απώλεια της πρωταρχικής του λειτουργίας. Τέτοια γονίδια υπόκεινται σε δύο η περισσότερες εξελικτικές πιέσεις ταυτόχρονα. Το λειτουργικό ενεργό κέντρο μιας πρωτεΐνης καταλαμβάνει, συνήθως, ένα σχετικά μικρό μέρος της συνολικής πρωτεΐνης, οπότε υπάρχει αρκετός χώρος για να φιλοξενηθούν επιπλέον λειτουργικές περιοχές. Εναλλακτικά το ίδιο ενεργό κέντρο θα μπορούσε να αποκτήσει επιπλέον λειτουργίες με μεταλλαγές/τροποποιήσεις τού.
Οι πρώτες moonlighting πρωτεΐνες φαίνεται να ανακαλύφθηκαν τη δεκαετία του 1980 από τους Joram Piatigorsky και Graeme Wistow που μελετούσαν τις κρυσταλλίνες. Αυτές οι πρωτεΐνες όταν εκφράζονται σε χαμηλά επίπεδα σε πολλούς ιστούς, λειτουργούν ως ένζυμα, αλλά όταν εκφράζονται σε υψηλά επίπεδα στον οφθαλμό, πακετάρονται πυκνά και σχηματίζουν τους φακούς. Βλέπουμε ότι αλλαγές στη γονιδιακή ρύθμιση μπορεί να είναι καθοριστικές στην εμφάνιση καινοτομιών της πρωτεϊνικής λειτουργίας, παρακάμπτοντας την ανάγκη για γονιδιακό διπλασιασμό ή/και για αλλαγές στην πρωτεϊνική δομή μέσω μεταλλαγών.
Οι σύνθετοι οφθαλμοί προέκυψαν σε έναν αριθμό διαφορετικών εξελικτικών γραμμών (Σπονδυλόζωα, Κεφαλόποδα, Έντομα κ.α.). Για δεκαετίες, τα στοιχεία έδειχναν ότι αυτά τα σύνθετα μάτια έχουν εξελιχθεί ανεξάρτητα σε κάθε γραμμή. Σήμερα, όμως οι επιστήμονες διακρίνουν μια περισσότερο συνυφασμένη εξελικτική ιστορία. Παρόμοια cis-ρυθμιστικά στοιχεία και μεταγραφικοί παράγοντες (λ.χ. ο Pax6) φαίνεται να ενοποιούν την έκφραση των γονιδίων των κρυσταλλινών του φακού στα Σπονδυλόζωα, στα Έντομα, στα Μαλάκια και στα Κνιδόζωα.
Τρόποι εκδήλωσης της πολυλειτουργικότητας
H ίδια πρωτεΐνη με άλλο πρότυπο έκφρασης ή υπό άλλες συνθήκες, λ.χ. σε άλλο χώρο, σε άλλο χρόνο, σε άλλη συγκέντρωση ή σε συνδυασμό με άλλα μόρια μπορεί να έχει διαφορετικό ρόλο ή ακόμη και να επιτελεί μια εντελώς διαφορετική λειτουργία. (Σημείωση: Η διάκριση μεταξύ moonlighting και πλειοτροπισμού δεν είναι πάντα εύκολη. Απαραίτητη προϋπόθεση για να θεωρήσουμε ότι μια πρωτεΐνη κάνει moonlighting είναι η απώλεια της μιας λειτουργίας να ΜΗΝ επηρεάζει τις υπόλοιπες λειτουργίες).
- Μια πρωτεΐνη μπορεί να έχει διαφορετικές λειτουργίες σε διαφορετικές τοποθεσίες μέσα σε ένα κύτταρο (λ.χ. όταν είναι προσδεμένη στο DNA ή όταν βρίσκεται στο κυτόπλασμα).
- Κάποιες πρωτεΐνες έχουν καταλυτική δράση μέσα στο κύτταρο, αλλά λειτουργούν ως αυξητικοί παράγοντες όταν εκκρίνονται.
- Οι πρωτεΐνες μπορεί να έχουν διαφορετική λειτουργία όταν εκφράζονται σε διαφορετικούς τύπους κυττάρων.
- Κάποιες πρωτεΐνες αλλάζουν λειτουργία όταν προσδέσουν ένα συμπαράγοντα ή άλλο προσδέτη.
- Κάποιες πρωτεΐνες έχουν μια λειτουργία ως μονομερή και μια άλλη ως ολιγομερή.
- Κάποιες πρωτεΐνες έχουν καταλυτική δράση ως μονομερή ενώ λειτουργούν ως μη καταλυτικές ρυθμιστικές υπομονάδες όταν αποτελούν μέρος ενός συμπλόκου.
- Κάποια ένζυμα ή υποδοχείς διαθέτουν ξεχωριστές περιοχές πρόσδεσης για τα διάφορα υποστρώματα.
Πολυλειτουργικότητα και εξέλιξη
Από εξελικτική άποψη η δημιουργία και συντήρηση πολυλειτουργικών πρωτεϊνών μπορεί να ευνοείται αφού μια πρωτεΐνη που μπορεί να κάνει τη δουλειά περισσοτέρων εξοικονομεί αμινοξέα και ενέργεια που απαιτείται για τη σύνθεση αυτών των πρωτεϊνών. Από την άλλη πλευρά, όμως, φαίνεται να δυσκολεύει τη ρύθμισή τους.
Αρχικά, πολλοί είχαν προτείνει ότι η πολυλειτουργικότητα μπορεί να ευνοείται για να διατηρείται το μέγεθος του γονιδιώματος μικρό, αλλά σήμερα γνωρίζοντας την ποσότητα και το ποσοστό του non-coding DNA στους διάφορους οργανισμούς αυτό δε φαίνεται πολύ πιθανό.
Η ύπαρξη δύο λειτουργιών σε μια πρωτεΐνη μπορεί να εξυπηρετεί ως διακόπτης μεταξύ μονοπατιών. Επίσης, μια πολυλειτουργική πρωτεΐνη μπορεί να διασυνδέει ένα λ.χ. μεταβολικό μονοπάτι με ένα σηματοδοτικό μονοπάτι κατά ένα εντελώς απρόσμενο τρόπο. Ένζυμα που ρυθμίζουν τη μεταγραφή ή μετάφραση τους ανάλογα με τη συγκέντρωση του ενζύμου, του υποστρώματος ή του προϊόντος παρέχουν ένα άμεσο μηχανισμό ανάδρασης, ώστε το κύτταρο να ρυθμίζει την παραγωγή του ενζύμου σύμφωνα με τις ανάγκες του. Τέλος, οι διαφορετικές λειτουργίες μια πρωτεΐνης μπορεί να αφορούν την ίδια διεργασία, να αποτελούν λ.χ. διαδοχικά βήματα της.
Το στρες που βιώνουν πολλοί άνθρωποι όταν συνδυάζουν δύο δουλειές ή όταν συγκατοικούν μπορεί να ισχύει και για τις πολυλειτουργικές πρωτεΐνες. Για παράδειγμα, το πρότυπο έκφρασης που απαιτείται για τη μια λειτουργία μπορεί να μην είναι ιδανικό/κατάλληλο για την άλλη. Επίσης, μια συγκεκριμένη μεταλλαγή που μπορεί να ενισχύει την αποτελεσματικότητα της μιας λειτουργίας μπορεί να υπονομεύει την άλλη. Σε αυτές τις περιπτώσεις, ίσως, είναι καλύτερο να διαχωριστούν οι λειτουργίες σε διαφορετικά γονίδια μέσω γονιδιακού διπλασιασμού.
Η εξέλιξη χρησιμοποιεί ό,τι είναι διαθέσιμο (ή ό,τι υπάρχει… εξελίσσεται)
Ο Gancedo πρότεινε ως πιο πιθανή εξήγηση για την επικράτηση της πολυλειτουργικότητας, τον τρόπο που συμβαίνει η εξέλιξη, δηλαδή χωρίς τελικό σκοπό και με νέες λειτουργίες να προκύπτουν κυρίως τροποποιώντας/προσαρμόζοντας ήδη υπάρχοντες. Αν μια νέα λειτουργία είναι χρήσιμη για τον οργανισμό θα επιλεγεί κατά την εξέλιξη. Μια πρωτεΐνη μπορεί να έχει μια έμφυτη συμβατότητα για μια νέα λειτουργία κι έτσι αυτή η νέα λειτουργία μπορεί να προκύψει με ελάχιστες μεταλλαγές. Αυτό συμφωνεί και με την παρατήρηση ότι πρωτεΐνες που είναι παρούσες σχεδόν παντού και τις θεωρούμε αρχαίες (αρά έχουν δεχθεί την επίδραση της εξέλιξης για πολύ μεγάλο χρονικό διάστημα), λ.χ. αρχαία μεταβολικά ένζυμα, εμφανίζουν μεγάλο βαθμό πολυλειτουργικότητας.
Πράγματι τα περισσότερα ένζυμα που μετέχουν στη γλυκόλυση και στον κύκλο του Krebs έχουν βρεθεί να έχουν και άλλες λειτουργίες. Λ.χ. η αφυδρογονάση της 3-φωσφορικής γλυκεριναλδεύδης έχει 11 διαφορετικές, καλά τεκμηριωμένες, λειτουργίες. Πάρα πολλές πρωτεϊνες που θεωρούνται δομικές (λ.χ. ακτίνη) επιτελούν πολλές άλλες λειτουργίες (έχουν ενζυματική δράση, ρυθμιστικό ρόλο κ.λπ.).
Πολυλειτουργικότητα και εξέλιξη σύνθετων χαρακτηριστικών
Μια από τις προκλήσεις στην εξελικτική θεωρία του Δαρβίνου ήταν να εξηγηθεί πως σύνθετες δομές θα μπορούσαν να έχουν αναπτυχθεί σταδιακά, δεδομένου ότι οι αρχόμενες μορφές τους θα ήταν ανεπαρκείς για να εξυπηρετήσουν τη λειτουργία τους. Όπως είχε πει ο Mivart, ένας επικριτής του Δαρβίνου, 5% της φτερούγας ενός πουλιού δεν θα ήταν λειτουργική, οπότε οι αρχόμενες μορφές σύνθετων χαρακτηριστικών δε θα είχαν επιβιώσει αρκετό διάστημα για να εξελιχθούν σε μια χρήσιμη μορφή.
Ένα χαρακτηριστικό μπορεί να αναπτυχθεί αρχικά επειδή εξυπηρετούσε ένα συγκεκριμένο σκοπό, αλλά στη συνέχεια να εξελιχθεί να εξυπηρετεί έναν άλλο. Παλιότερα, αυτό το φαινόμενο ονομαζόταν με τον όρο preadaptation («προπροσαρμογή»), αλλά επειδή αυτός ο όρος παραπέμπει σε τελεολογία που είναι αντίθετη με τις αρχές της φυσικής επιλογής, έχει αντικατασταθεί με τους όρους exaptation ή cooption («προσάρτηση») ή co-opted adaptation («προσαρτημένη προσαρμογή»).
Οι πτερούγες και τα φτερά των πουλιών αποτελούν ένα κλασσικό παράδειγμα. Φαίνεται ότι εξελίχθηκαν αρχικά για τη θερμορύθμιση, αλλά αργότερα προσαρμόσθηκαν για την πτήση. Αυτό όμως δε σημαίνει, πάντα, ότι η πρωταρχική λειτουργία πρέπει να χαθεί ολοκληρωτικά. Τα φτερά για παράδειγμα διατηρούν, τουλάχιστον στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων, το θερμορρυθμιστικό τους ρόλο. Φαίνεται, λοιπόν, ότι η διαδικασία της εξέλιξης έχει την τάση να δημιουργεί σύνθετα χαρακτηριστικά, ακόμη και αν το εκάστοτε προϊόν έχει αρκετές ατέλειες. Διακρίνουμε μια αναλογία μεταξύ της ανάπτυξης σύνθετων χαρακτηριστικών και σύνθετων λειτουργιών σε πρωτεϊνικό επίπεδο, με κοινό παρανομαστή το ρόλο της πολυλειτουργικότητας.
Πολυλειτουργικότητα και εξελικτικός ρυθμός
Η συχνότητα με την οποία συσσωρεύονται νουκλεοτιδικές αντικαταστάσεις σε ένα γονίδιο στην πορεία της εξέλιξης εξαρτάται από τις συνέπειες που αυτές έχουν στην προσαρμοστικότητα. Γονίδια στα οποία μεγάλο ποσοστό από τις πιθανές αντικαταστάσεις είναι ωφέλιμο ή ουδέτερο θα εμφανίζουν μεγαλύτερο εξελικτικό ρυθμό και θα συσσωρεύουν αμινοξικές αλλαγές πιο γρήγορα, ενώ γονίδια στα οποία οι περισσότερες αντικαταστάσεις είναι επιβλαβείς θα παραμείνουν πιο συντηρημένα. Αν ένα γονίδιο εμπλέκεται σε πολλές διαφορετικές διεργασίες (πολυλειτουργικό γονίδιο), τότε αντικαταστάσεις που είναι ευνοϊκές για τη μία διεργασία μπορεί συχνά να είναι επιβλαβείς για τις άλλες διεργασίες. Σε όσες περισσότερες διεργασίες εμπλέκεται ένα γονίδιο, τόσο πιο πιθανό είναι ένα ευεργετικό αποτέλεσμα στη μία λειτουργία να συνοδεύεται από επιβλαβείς συνέπειες στις υπόλοιπες. Οι αντικαταστάσεις στα πολυλειτουργικά γονίδια αναμένεται να είναι πιο συχνά επιβλαβείς στο συνολικό τους αποτέλεσμα σε σχέση με αντικαταστάσεις σε γονίδια που εμπλέκονται σε λίγες διεργασίες. Αναμένουμε, λοιπόν, τα πολυλειτουργικά γονίδια να εξελίσσονται με χαμηλότερους ρυθμούς. Η υπόθεση αυτή είναι ανάλογη με την υπόθεση ότι τα πλειοτροπικά γονίδια (γονίδια, δηλαδή, που επηρεάζουν πολλά φαινοτυπικά χαρακτηριστικά) έχουν χαμηλότερους εξελικτικούς ρυθμούς (Otto, 2004).
Μπορείτε να δείτε ένα χαρακτηριστικό διάγραμμα που δείχνει την αρνητική συσχέτιση μεταξύ της πολυλειτουργικότητας και του ρυθμού εξέλιξης των γονιδίων στον Saccharomyces cerevisiae εδώ.
Ενδεικτική βιβλιογραφία
- Daphne H.E.W. Huberts, Ida J. van der Klei, «Moonlighting proteins: An intriguing mode of multitasking», Biochimica et Biophysica Acta (BBA) - Molecular Cell Research, Volume 1803, Issue 4, April 2010, Pages 520-525, ISSN 0167-4889.
- Yanwu Zeng and Xun Gu, «Genome factor and gene pleiotropy hypotheses in protein evolution», Biology Direct 2010, 5:37.
- Constance J Jeffery, «Moonlighting proteins: old proteins learning new tricks», Trends in Genetics, Volume 19, Issue 8, August 2003, Pages 415-417, ISSN 0168-9525.
- Christine Vogel, Matthew Bashton, Nicola D Kerrison, Cyrus Chothia, Sarah A Teichmann, «Structure, function and evolution of multidomain proteins», Current Opinion in Structural Biology, Volume 14, Issue 2, April 2004, Pages 208-216, ISSN 0959-440X.
- Roy, S. (1999), «Multifunctional enzymes and evolution of biosynthetic pathways: Retro-evolution by jumps». Proteins: Structure, Function, and Bioinformatics, 37: 303–309.
- Joram Piatigorsky, «Gene Sharing, Lens Crystallins and Speculations on an Eye/Ear Evolutionary Relationship», Integr. Comp. Biol. (2003) 43(4): 492-499.
- Jeffery C.J., «Multifunctional proteins: examples of gene sharing», Annals of Medicine, 2003, Volume 35, Issue 1, SP-28, EP-35, M3.
- Xionglei He and Jianzhi Zhang, «Toward a Molecular Understanding of Pleiotropy», Genetics August 2006 173:1885-1891; published ahead of print May 15, 2006. Apic, G., Gough, J., and Teichmann, S. A (2001). «Domain combinations in archaeal, eubacterial and eukaryotic proteomes». J Mol Biol 310 (2): 311–325. doi:10.1006/jmbi.2001.4776. PMID 11428892.
- Davidson JN, Chen KC, Jamison RS, Musmanno LA, Kern CB. (1993). “The evolutionary history of the first three enzymes in pyrimidine biosynthesis”. Bioessays 15 (3): 157–64. doi:10.1002/bies.950150303. PMID 8098212.
- Marcel Salathé, Martin Ackermann and Sebastian Bonhoeffer, «The Effect of Multifunctionality on the Rate of Evolution in Yeast», Mol Biol Evol (April 2006) 23(4): 721-722.
- Genomes. Brown TA. Chapter 15 «How Genomes Evolve».