Un nuevo estudio de la Universidad de Chicago ha demostrado que las estructuras de proteínas elaboradas se acumulan en el tiempo profundo incluso cuando no tienen ningún propósito, porque una propiedad bioquímica universal y el código genético obligan a la selección natural a conservarlas.9, 2020 en Naturaleza .
La mayoría de las proteínas en nuestras células forman complejos específicos con otras proteínas, un proceso llamado multimerización. Al igual que otros tipos de complejidad en biología, generalmente se piensa que los multímeros persisten durante el tiempo evolutivo porque confieren algún beneficio funcional favorecido por la selección natural.
"Cómo evoluciona la complejidad es una de las grandes preguntas de la biología evolutiva", dijo el autor principal Joseph Thornton, PhD, profesor de genética humana y ecología y evolución en la Universidad de Chicago. "La explicación clásica es que las estructuras elaboradas deben existir porqueconfieren algún beneficio funcional al organismo, por lo que la selección natural impulsa estados de complejidad cada vez mayores. Claramente, en algunos casos la complejidad es adaptativa, como la evolución del ojo: los ojos complejos ven mejor que los simples. Pero a nivel molecular,descubrió que existen otros mecanismos simples que impulsan la acumulación de complejidad ".
El equipo de investigación, dirigido por Thornton y el becario postdoctoral de la Universidad de Chicago Georg Hochberg, PhD, se propuso estudiar la evolución de la multimerización en una familia de proteínas llamadas receptores de hormonas esteroides, que se ensamblan en pares llamados dímeros.
Utilizaron una técnica llamada reconstrucción de proteínas ancestrales, una especie de "viaje en el tiempo" molecular, dijo Thornton, que les permitió recrear proteínas antiguas en el laboratorio y examinar experimentalmente cómo se vieron afectadas por mutaciones que ocurrieron hace cientos de millones de años..
Para su sorpresa, encontraron que las proteínas antiguas no funcionaban de manera diferente cuando se ensamblaban en un dímero que si nunca hubieran evolucionado para dimerizarse en absoluto. No había nada útil o beneficioso en la formación del complejo.
La explicación de por qué la forma dimérica del receptor ha persistido durante 450 millones de años resultó ser sorprendentemente simple. "Estas proteínas gradualmente se volvieron adictas a su interacción, aunque no tiene nada de útil", explicó Hochberg, quien esahora un líder de grupo en el Instituto Max Planck en Marburg, Alemania. "Las partes de la proteína que forman la interfaz donde los socios se unen acumularon mutaciones que eran tolerables después de la evolución del dímero, pero que habrían sido perjudiciales en el estado individual.Esto hizo que la proteína dependiera totalmente de la forma dimérica, y ya no podía retroceder. La complejidad inútil se afianzó, esencialmente para siempre ".
Los investigadores demostraron que los principios bioquímicos, genéticos y evolutivos simples hacen inevitable el atrincheramiento de los complejos moleculares. Los genes que codifican cada proteína están sujetos a una lluvia constante de mutaciones a lo largo de generaciones, muchas de las cuales interrumpirían la capacidad de la proteína para plegarse y doblarse.funcionan correctamente. Una forma de selección natural llamada selección purificadora elimina estas mutaciones deletéreas de la población.
Una vez que una proteína evoluciona para multimerizarse, las partes que forman la interfaz pueden acumular mutaciones que serían perjudiciales si la proteína estuviera en el estado solo, siempre que puedan ser toleradas en el multímero. La selección purificante afianza la forma compleja,impidiendo un regreso al estado de solo.
Los investigadores demostraron que una regla bioquímica simple y universal es la base del atrincheramiento. Las proteínas están compuestas de aminoácidos, que pueden ser solubles en agua o hidrófobos, lo que significa que se disuelven fácilmente en aceite pero no en agua. Por lo general, las proteínas se pliegan para que el agua-Los aminoácidos solubles están en el exterior y los aminoácidos hidrofóbicos están en el interior. Las mutaciones que hacen que la superficie de una proteína sea más soluble en aceite perjudican su plegamiento, por lo que la selección purificadora los elimina si se encuentran en proteínas solas.
Sin embargo, si la proteína evoluciona para multimerizarse, esos aminoácidos hidrofóbicos en la superficie de la interfaz se ocultan del agua y se vuelven invisibles para la selección purificadora. El multímero se atrinchera, porque volver al estado solo expondría el ahora-aceite-interfaz soluble y perjudicial.
Este "trinquete hidrofóbico" parece ser universal. Los investigadores analizaron una enorme base de datos de estructuras de proteínas, incluidos cientos de dímeros y proteínas individuales relacionadas, y encontraron que la gran mayoría de interfaces se han vuelto tan hidrofóbicas que la forma dimérica está profundamente arraigada..
Este mecanismo, que opera sobre miles de proteínas durante cientos de millones de años, podría impulsar la acumulación gradual de muchos complejos inútiles dentro de las células.
"Algunos complejos seguramente tienen funciones importantes, pero incluso aquellos estarán atrincherados por el trinquete hidrófobo, haciéndolos más difíciles de perder de lo que serían de otra manera", dijo Hochberg. "Con el trinquete operando constantemente en segundo plano, nuestras células probablemente hayanacumuló una gran cantidad de complejos arraigados, muchos de los cuales nunca desempeñaron una función útil, o hace mucho que dejaron de hacerlo ".
Las direcciones futuras incluyen investigar si las interacciones distintas de la multimerización pueden ser el resultado del atrincheramiento. "Esta fue una historia sobre proteínas que se dimerizan con otras copias de sí mismas, que es un proceso muy común", dijo Thornton. "Pero hay muchosde otras interacciones en las células, y creemos que es posible que algunas de ellas se hayan acumulado durante la evolución debido a un tipo similar de dependencia adquirida de la complejidad molecular ".
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Centro médico de la Universidad de Chicago . Original escrito por Alison Caldwell, PhD. Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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