Forskare från University of Colorado Anschutz Medical Campus och University College London har utvecklat en ny teori om molekylär evolution, ger insikter om hur gener fungerar, hur graden av evolutionär divergens kan förutsägas, och hur skadliga mutationer uppstår på en grundläggande nivå.
"Molekyler är grunden för allt liv och vi ville ta reda på varför molekyler utvecklas som de gör, " sa studiens medförfattare David Pollock, PhD, professor i biokemi och molekylär genetik vid CU School of Medicine.
Pollock och författaren Richard Goldstein, Ph.D., professor i infektion och immunitet vid University College London, publicerade studien 23 oktober, 2017 i tidningen Naturekologi och evolution .
Deras teori om evolutionsmekanik förvandlar utvecklande molekylära system till ett ramverk där den statistiska mekanikens verktyg kan tillämpas, öppnar ett nytt fönster till hur proteinutveckling fungerar.
"Tillvägagångssättet vilar på att förstå proteiner som integrerade system, ", sa Goldstein. "Alltför ofta ignorerar vi interaktioner mellan olika delar av ett protein, men vi vet att förändringar i en del av proteinet påverkar efterföljande förändringar i andra delar. Det visar sig att detta är väldigt viktigt för att förstå varför dessa molekyler utvecklas som de gör."
Proteiner förändras ständigt när mutationer fixeras eller elimineras beroende på proteinstrukturen, funktion och stabilitet. Detta beror på aminosyrainteraktioner genom hela proteinet som orsakar evolution på ett ställe för att ändra chansen för evolution på andra ställen.
Forskarna upptäckte att de kunde förutsäga hastigheten för proteinutvecklingen baserat på deras biokemiska egenskaper.
"Detta var en riktig överraskning, " sade Pollock. "Vår teori står för välkända populationsgenetiska effekter som urvalsstyrka och effektiv populationsstorlek, men de faller ur de slutliga ekvationerna som förutsäger hastigheten för molekylär evolution."
I åratal, Forskare har stött på problem med standardmodeller för molekylär evolution som används för att studera de evolutionära förhållandena mellan arter. Detta ledde till svårigheter att rekonstruera viktiga evolutionära händelser i förfäders organismer.
Dessa mönster av molekylär konvergens visade sig ändras regelbundet över evolutionär tid på sätt som indikerade ständigt fluktuerande begränsningar i olika delar av proteiner.
"Detta vänder runt den vanliga idén att aminosyrorna kommer att anpassa sig till kraven för resten av proteinet, ", sa Goldstein. "Men vi kunde inte förklara exakt varför detta hände, eller om det fanns någon regelbundenhet i processen."
Men när systemet väl placerades in i en statistisk mekanikram, omfattningen av aminosyraförankringen sågs som central för att förstå hastigheten för evolutionär divergens.
Forskarna sa att selektionens styrka i proteinevolution balanseras av sekvensentropin av vikning, antalet sekvenser som ger ett protein med en given grad av stabilitet.
"Vi tycker om att tänka på de andra aminosyrorna som ett gäng barn som hoppar ner på en memory foam-madrass medan du försöker gå på den, sade Pollock. "För det mesta är dina fötter nedsänkta i madrassen och du kan inte kliva fram, men då och då skapar barnen en buckla i madrassen som gör att du kan gå framåt."
