Hoe zijn eiwitinteracties ontstaan ​​en hoe hebben ze zich ontwikkeld? In een nieuwe studie, onderzoekers hebben gekeken naar twee eiwitten die tussen 400 en 600 miljoen jaar geleden samen begonnen te evolueren. Hoe zagen ze eruit? Hoe werkten ze, en hoe zijn ze in de loop van de tijd veranderd? De bevindingen, gepubliceerd in eLife , laten zien hoe een combinatie van veranderingen in de eigenschappen van de eiwitten betere voorwaarden schiep voor de regulatie van een cellulair proces.

"We willen het proces begrijpen waardoor een nieuwe eiwit-eiwit interactie ontstaat en evolueert, ", zegt Greta Hultqvist, die samen met Per Jemth de studie leidde bij de afdeling Medische Biochemie en Microbiologie, Universiteit van Uppsala.

Het leven hangt af van eiwitten; vooral, hoe eiwitten met elkaar omgaan. De meeste, zo niet alle, basale cellulaire processen zijn afhankelijk van eiwitinteracties waarbij een bepaald eiwit een specifieke cellulaire functie kan versterken of verminderen. Vaak, dezelfde eiwitinteractie kan worden gevonden in klassen van organismen van zoogdieren, aan alle dierlijke phyla of zelfs aan alle koninkrijken van het leven.

Wanneer een eiwitinteractie specifiek is voor gewervelde dieren, het betekent dat de interactie ontstond op een belangrijk tijdstip voor de voorouder van gewervelde dieren. Deze eiwitinteractie werd vervolgens bewaard in alle evolutionaire lijnen die voortkwamen uit de voorouder van gewervelde dieren en is te zien in alle huidige gewervelde dieren. In feite, nieuwe en gewijzigde eiwitten verschijnen continu in organismen door middel van genmodificaties, maar de meeste verdwijnen. Echter, sommige eiwit-eiwit interacties blijken gunstig te zijn en worden als gevolg daarvan door het organisme vastgehouden.

Nieuwe of gemodificeerde eiwitten zouden nieuwe interacties kunnen vormen met bestaande eiwitten om een ​​voordelige eiwit-eiwit interactie op te wekken. Dit is tijdens de evolutie meerdere keren gebeurd. Het is gemakkelijk te begrijpen dat eiwitinteracties gunstig kunnen zijn voor een organisme en als zodanig behouden blijven. Echter, er is minder bekend over de moleculaire details van dergelijke historische eiwitevolutie.

Door meerdere aminozuursequenties van twee op elkaar inwerkende eiwitten van verschillende huidige organismen te analyseren, het team reconstrueerde voorouderlijke versies van de eiwitten die aanwezig zijn in soorten die tussen 400 miljoen en 600 miljoen jaar geleden leefden. Hoe de oudste van deze voorouders eruit zagen, is niet precies bekend, maar er kan worden gespeculeerd dat het een klein dier was met bilaterale symmetrie. Eén evolutionaire lijn leidde naar vissen en vervolgens naar de eerste tetrapod. Het team herrees eiwitten van deze soorten en karakteriseerde hun eigenschappen met experimentele en computationele methoden.

"We ontdekten dat de voorouderlijke eiwitten zwakker met elkaar interageerden in vergelijking met varianten van de latere generatie. De voorouderlijke eiwitten waren waarschijnlijk ook flexibeler qua structuur dan de latere generaties wanneer ze aan elkaar werden gebonden. Een andere opvallende bevinding is dat de sterkte van dit eiwit - eiwitinteractie is de afgelopen 450 miljoen jaar niet veranderd, ', zegt Greta Hultqvist.

De door de wetenschappers bestudeerde eiwitten behoren tot een klasse die 'intrinsiek ongeordende eiwitten' wordt genoemd. Dit betekent dat ze op zichzelf zeer flexibel zijn en zelfs als een uitgebreide keten kunnen bestaan, in tegenstelling tot de meeste eiwitten, die een bolvorm hebben. Echter, wanneer de ongeordende eiwitten aan elkaar binden, vouwen ze vaak in een bolvormige structuur. Eiwit-eiwit interacties tussen intrinsiek ongeordende eiwitten komen zeer vaak voor en zijn vaak betrokken bij cellulaire regulatie.

"Onze bevindingen werpen licht op enkele fundamentele principes van eiwitevolutie en kunnen algemeen zijn voor hoe nieuwe eiwit-eiwit-interacties van intrinsiek ongeordende eiwitten ontstaan ​​en evolueren. Een zwakke en dynamische voorouderlijke interactie zou relatief snel kunnen veranderen in een optimaal sterke door willekeurige genmutaties gevolgd door natuurlijke selectie.De kracht van de interactie blijft dan behouden wanneer de voorouderlijke groep van organismen diversifieert tot nieuwe soorten, ', zegt Per Jemth.