Výzkum vedený Evropským institutem pro bioinformatiku (EMBL-EBI) a Washingtonskou univerzitou ukázal, že biologická rozmanitost potřebná pro evoluci může být generována změnami v modifikacích proteinů. Zjištění publikovaná v Science poskytují cenné poznatky o tom, jak se různé druhy přizpůsobují různým prostředím, a mohly by objasnit, jak se patogeny vyvíjejí a stávají se odolnými vůči drogám.
„Tato studie je o pochopení toho, jak funguje evoluce, která vám řekne, jak se druhy přizpůsobují měnícímu se prostředí po mnoho generací,“říká Pedro Beltrao, vedoucí výzkumné skupiny v EMBL-EBI."Například, když porovnáte lidi a šimpanze, jsou zjevně odlišní, i když velká část jejich genetické výbavy je víceméně stejná. Naším úkolem je přijít na to, jak vzniká rozmanitost, abychom mohli podrobně vidět jak se život vyvíjí. To nám pomáhá pochopit, jak se rostliny a zvířata přizpůsobují a mění a jak si rakovina nebo bakterie nacházejí cestu k drogám."
Otázka výrazu
Výzkum hnacích sil genetické diverzity se do značné míry soustředil na genovou expresi, která řídí, kolik z daného proteinu se vytvoří, kdy a v jaké tkáni. Vědci však zjistili, že důležitou roli hraje také dobře známý buněčný mechanismus – ten, který řídí, jak proteiny získávají nové funkce.
Proteiny jsou kontrolovány jinými proteiny prostřednictvím „posttranslační modifikace“(PTM). Jedním typem PTM je fosforylace: rychlý, všestranný mechanismus regulace proteinů. Během evoluce mohou být PTM získány prostřednictvím mutací, což umožňuje proteinům získat nové funkce, zapnout nebo vypnout v různých časech a přejít na různá místa v buňce.
Předchozí studie srovnávající proteiny u příbuzných druhů ukázaly velmi málo mutací, takže PTM nebyly považovány za hlavní faktor při vytváření diverzity. V dnešní studii skupina zjistila, že ke změně těchto míst pro modifikaci proteinů je ve skutečnosti zapotřebí jen několik mutací. Jinými slovy, malý počet změn může mít velký dopad na fungování proteinů a buněk.
"Tyto mutace byly skryty na očích - mohli jsme je vidět celou dobu, ale nevěděli jsme, že mohou mít tak významné následky," říká Beltrao. "Vidíme to až nyní po mnoha letech vývoje a zdokonalování nových experimentálních metod."
Změna je konstanta
Pomocí experimentálních a výpočetních metod vědci zrekonstruovali evoluční historii fosforylačních míst - modifikací, které mohou kontrolovat proteiny - u 18 různých jednobuněčných druhů. Zjistili, jak dlouho tyto kontrolní body existují, kdy byly získány a jak rychle se měnily napříč druhy během milionů let.
Skupina zjistila, že většina fosforylačních míst vznikla relativně nedávno v evoluci, což naznačuje, že jsou součástí toho, čím se druh liší – a hlavním přispěvatelem k evoluční rozmanitosti.
"Pokud se druh potřebuje přizpůsobit novému prostředí, potřebuje během mnoha generací vytvořit velkou rozmanitost, aby evoluce měla řadu možností, ze kterých si může vybrat. Jedním ze způsobů, jak toho dosáhnout, jsou změny v genovou expresi, ale změny ve fosforylaci jsou stejně účinné,“vysvětluje Beltrao.
Rakovina: expert na výběr zámků
Rozmanitost generovaná PTM je důležitým faktorem při řešení rakoviny. Některé léky proti rakovině zastavují nádory tím, že zablokují signální dráhu, která umožňuje nádoru růst, a účinně umisťují zámek na proteinové „dveře“. Ale prostřednictvím mutací nacházejí rakoviny způsoby, jak vytvořit nové PTM a signalizovat události, efektivně vyrábět miliony různých klíčů. Většina klíčů bude k ničemu, ale jeden musí nakonec zapadnout do zámku a nádor může začít znovu růst.
„Další informace o úloze PTM v evoluci také poskytují mnohem spolehlivější obrázek o tom, jak signální proteiny integrují a předávají informace uvnitř buňky,“dodává Beltrao. "To by zase mohlo představovat vzrušující nové cesty pro terapeutický výzkum."
