Hur uppstod proteininteraktioner och hur har de utvecklats? I en ny studie, forskare har tittat på två proteiner som började utvecklas samtidigt för mellan 400 och 600 miljoner år sedan. Hur såg de ut? Hur fungerade de, och hur har de förändrats över tiden? Resultaten, publiceras i eLife , visa hur en kombination av förändringar i proteinernas egenskaper skapade bättre förutsättningar för reglering av en cellulär process.
"Vi vill förstå processen genom vilken en ny protein-protein-interaktion uppstår och utvecklas, " säger Greta Hultqvist som ledde studien tillsammans med Per Jemth vid institutionen för medicinsk biokemi och mikrobiologi, Uppsala universitet.
Livet beror på proteiner; särskilt, hur proteiner interagerar med varandra. De flesta om inte alla grundläggande cellulära processer är beroende av proteininteraktioner där ett visst protein kan förbättra eller minska en specifik cellulär funktion. I många fall, samma proteininteraktion kan hittas över klasser av organismer från däggdjur, till alla djurfyla eller till och med till alla livets riken.
När en proteininteraktion är specifik för ryggradsdjur, det betyder att interaktionen uppstod vid en betydande tidpunkt för ryggradsdjurets förfader. Denna proteininteraktion bevarades sedan i alla evolutionära linjer som härrörde från ryggradsdjurets förfader och kan ses i alla dagens ryggradsdjur. Faktiskt, nya och modifierade proteiner dyker upp kontinuerligt i organismer genom genmodifieringar, men de flesta försvinner. Dock, vissa protein-protein-interaktioner visar sig vara fördelaktiga och som ett resultat behålls de av organismen.
Nya eller modifierade proteiner skulle kunna bilda nya interaktioner med existerande proteiner för att framkalla en fördelaktig protein-protein-interaktion. Detta har hänt flera gånger under evolutionen. Det är lätt att förstå att proteininteraktioner kan vara fördelaktiga för en organism och som sådan behålls den. Dock, mindre är känt om de molekylära detaljerna i en sådan historisk proteinutveckling.
Genom att analysera flera aminosyrasekvenser av två interagerande proteiner från olika nutida organismer, teamet rekonstruerade förfäders versioner av proteinerna som finns i arter som levde för mellan 400 miljoner och 600 miljoner år sedan. Hur den äldsta av dessa förfäder såg ut är inte exakt känt, men man kan spekulera i att det var ett litet djur med bilateral symmetri. En evolutionär linje ledde mot fiskar och därefter till den första tetrapoden. Teamet återupplivade proteiner från dessa arter och karakteriserade deras egenskaper med experimentella och beräkningsmetoder.
"Vi fann att de förfäders proteiner interagerade med varandra svagare jämfört med senare generationers varianter. De förfäders proteiner var förmodligen också mer flexibla när det gäller struktur än de senare generationens när de bands samman. En annan slående upptäckt är att styrkan hos detta protein -proteininteraktionen har inte förändrats under de senaste 450 miljoner åren, säger Greta Hultqvist.
De proteiner som studerats av forskarna tillhör en klass som kallas "inneboende störda proteiner". Detta innebär att de på egen hand är mycket flexibla och kan till och med existera som en förlängd kedja, till skillnad från de flesta proteiner, som har en klotform. Dock, när de oordnade proteinerna binder till varandra viker de sig ofta till en klotformig struktur. Protein-protein-interaktioner mellan i sig störda proteiner är mycket vanliga och är ofta involverade i cellulär reglering.
"Våra fynd belyser några grundläggande principer för proteinevolution och kan vara generella för hur nya protein-proteininteraktioner av i sig störda proteiner uppstår och utvecklas. En svag och dynamisk förfädersinteraktion kan relativt snabbt förvandlas till en optimalt stark genom slumpmässiga genmutationer följt av naturligt urval Styrkan i växelverkan bibehålls sedan när urgruppen av organismer diversifierar sig till nya arter, säger Per Jemth.
