Volgens nieuw onderzoek onder leiding van de Universiteit van Arizona kan een gisteiwit dat vanuit het niets is geëvolueerd, tot een driedimensionale vorm vouwen - in tegenstelling tot het algemene begrip van jonge eiwitten.

Wetenschappers dachten dat dergelijke nieuw ontwikkelde eiwitten werken in uitvoering waren die zich niet in complexe vormen konden vouwen zoals oudere eiwitten dat doen.

"Deze nieuwe studie van ons laboratorium levert het allereerste bewijs dat een eiwit dat recentelijk van nul is geëvolueerd, in feite kan vouwen tot een compacte driedimensionale vorm, " zei senior auteur Matthew Cordes, een UA universitair hoofddocent chemie en biochemie.

"Wat we hebben ontdekt, komt niet over als een volledig ontwikkeld biologisch molecuul. Het lijkt op hoe je zou denken dat een pasgeboren eiwit eruit zou zien - misschien een beetje onhandig of wazig gevormd, " zei Cordes, lid van het BIO5 Instituut van de UA. "Maar niettemin, dit eiwit vouwt zich op tot een driedimensionale structuur en door veel maatregelen lijkt het op eiwitten die lang geleden zijn geëvolueerd.

"Het is verbazingwekkend als ik ernaar kijk. Ik heb echt het gevoel dat ik iets zie uitkomen."

Recent bewijs suggereert dat nieuwe genen kunnen ontstaan ​​uit de niet-coderende secties, of "rommel, " DNA en dat die nieuwe genen kunnen coderen voor gloednieuwe eiwitten. Genen coderen voor eiwitten, de moleculen die wel in cellen werken.

Co-auteur Joanna Masel zei:"Niet alle genen zijn oud en degenen die niet oud zijn, worden niet veel bestudeerd."

Cordes is de eerste die kijkt naar de structuur van het eiwit dat het resultaat is van een gen dat recentelijk is ontstaan ​​uit junk-DNA, zei Masel, een UA-hoogleraar ecologie en evolutionaire biologie en lid van het BIO5 Institute.

Omdat het veranderen van een bestaand gen makkelijker leek dan het uitvinden van een geheel nieuw gen, wetenschappers hadden gedacht dat nieuwe genen ontstonden door duplicaten van bestaande genen te modificeren.

"Het verhaal is dat evolutie niet alleen een knutselaar is die herwerkt wat het heeft - soms bedenkt evolutie een volledig nieuwe functionele, gestructureerd molecuul, ' zei Cordes.

Het onderzoeksrapport van het team, "Opvouwbaarheid van een natuurlijk De Novo Evolved Protein, " staat online in het journaal Structuur en gepland voor publicatie in november. De co-auteurs van Cordes en Masel zijn Dixie Bungard, Jacob Koppel, Jimmy Chhun, Vlad Kumirov en Scott Foy van de UA en Jing Yan en Vicki Wysocki van de Ohio State University in Columbus.

De National Institutes of Health verleent GM104040, GM113658, ES06694, CA023074 en 1S10 RR028868-01 en een subsidie ​​van de John Templeton Foundation financierden het onderzoek.

Wetenschappers weten al meer dan tien jaar dat sommige genen gloednieuw lijken te ontstaan, of de novo, van junk-DNA.

Echter, er is weinig bekend over de eiwitten waarvoor dergelijke genen coderen, zei Cordes, die de evolutie van eiwitstructuur en -functie bestudeert.

"Mijn doel is om te zien hoe deze eiwitten eruit zien, " hij zei.

Cordes en zijn collega's bestudeerden een eiwit dat een laboratoriumstam van bakkersgist maakt met behulp van een de novo-gen. Het gen BSC4 en het resulterende eiwit Bsc4 lijken te helpen bij DNA-herstel.

De eerste stap bij het bestuderen van een eiwit is er veel van maken. Het Cordes-team gebruikte een standaardmethode:ze plaatsten het BSC4-gen in E. coli-bacteriën en lieten de bacteriën dienen als een eiwitfabriek. Sommige farmaceutische bedrijven gebruiken dezelfde methode om insuline te maken voor mensen met diabetes.

De volgende stap is het zuiveren van het eiwit, wat voor Bsc4 nog nooit eerder was gedaan, aldus Cordes.

"Er is een echt gebrek aan mensen die de producten van deze de novo-genen zuiveren en onderzoeken. Dat is het gat dat we proberen te vullen, " hij zei.

Gewoonlijk, onderzoekers kristalliseren vervolgens het eiwit en maken een gedetailleerde beschrijving van de structuur van het eiwit met behulp van beeldvormingstechnieken met hoge resolutie.

Echter, het baby-eiwit was niet gemakkelijk om mee te werken, aldus Cordes. Het team kon het niet uitkristalliseren.

Het team bepaalde wel algemene informatie over de vorm en structuur van het eiwit. Het BSC4-gen codeert voor een kleine keten van aminozuren, of polypeptideketen.

In het resulterende eiwit, Bsc4, meerdere van die ketens komen samen. Het eiwit kan bestaan ​​uit twee of drie ketens, maar ook als groepen van vele ketens. Het hebben van zo'n verscheidenheid aan maten is niet typisch, aldus Cordes.

"De meeste natuurlijke eiwitten bestaan ​​in een bepaalde grootte, "zei hij. "Deze kan in groepen van vier zijn, vijf, zes, zeven - dat is een reden waarom je de structuur vaag of rudimentair zou kunnen noemen."

Het eiwit vertoont andere kenmerken van normale eiwitten, inclusief vouwen in standaardvormen zoals alfa-helices en beta-geplooide vellen. In aanvulling, het eiwit zal zich ontvouwen, of denatureren, onder bepaalde omstandigheden en kan dan weer in de opgevouwen toestand worden gebracht. Het stevige witte gedeelte van een gekookt ei is gedenatureerd eiwit.

"Voor vele jaren, mensen dachten dat eiwitten deze elegante origami-achtige structuren moesten hebben om te kunnen functioneren, maar het is duidelijk geworden dat ze wanorde kunnen hebben, ze kunnen gesmolten eigenschappen hebben en toch dingen doen in een organisme, " hij zei.

Cordes karakteriseerde Bsc4 als "bolvormig" en de meest natuurlijke bolvormige eiwitten hebben slechts één standaardvorm. Hij noemt het eiwit 'gesmolten bolvormig' omdat het kan verschuiven tussen verschillende vormen.

"Er wordt gedacht dat het eiwit betrokken is bij DNA-herstel en mogelijk betrokken is bij het binden van DNA. Het kan zijn dat de huidige structuur perfect goed is in wat het moet doen, " hij zei.

"Het is niet ontstaan ​​omdat dit glorieuze kunstwerk het geloofwaardiger maakt dat deze eiwitcoderende genen opduiken uit het genetische gebied tussen genen, Cordes zei. "Ik wil weten waar dingen vandaan komen in het leven - hoe het leven nieuwigheid creëert, hoe evolutie nieuwigheid creëert."