2023 Szerző: Sophia Otis | [email protected]. Utoljára módosítva: 2023-05-21 01:49
PASADENA, Kalifornia – Az emberek, a rovarok és a tóhasadékok – és minden más élőlény a Földön – folyamatosan fejlődnek. Az apró fehérjék, amelyekből ezek az élőlények épülnek, szintén fejlődnek, és többnyire egyenként halmozzák fel a mutációkat több milliárd év alatt. De olyan okok miatt, amelyek eddig rejtélyek voltak, egyes fehérjék gyorsan fejlődnek, míg mások elveszik az édes időt – még akkor is, ha ugyanabban a szervezetben élnek.
Most a California Institute of Technology kutatócsoportja Drummond regényét alkalmazva elmagyarázza. De a szekvenált genomok és a sejteket alkotó összes darab és rész leltárának közelmúltbeli özönével a rejtély tovább mélyült. A kutatók felfedezték, hogy minél több fehérjét termelnek, annál lassabban fejlődik, ez a tendencia minden élőlényre érvényes. Ennek a tendenciának az oka azonban továbbra is homályos maradt, annak ellenére, hogy sok kísérletet próbáltak megmagyarázni.
A biológusok régóta tudják, hogy a genetikai kódot fehérjékké fordító gyártási gépezet hanyag. Valójában olyannyira, hogy az élesztőben lévő fehérjék közül átlagosan minden ötödik fehérjét rosszul fordítanak le, ami egyenértékű a spanyol "Adios" szó "Goofbye"-nek fordításával. Minél több másolat készül egy fehérjéből, annál több a lehetséges hiba. A hibák pedig költségesek lehetnek: egyes fordítási hibák haszontalan szemétté változtatják a fehérjéket, amelyek akár károsak is lehetnek (például egy számjegy félremásolása egy fontos telefonszámban), míg más hibák elviselhetők. Tehát minél több fehérjemásolat van sejtenként, annál nagyobb a potenciális ártalom – hacsak ezek a bőséges fehérjék maguk nem képesek több hibát elviselni.
„Ez volt az „Aha!” – mondja Drummond."A fehérjék laboratóriumi manipulálásával kapcsolatos kísérleteinkből tudtuk, hogy egyesek olyan különleges tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek lehetővé tették számukra, hogy több változást toleráljanak, mint más fehérjék. Robusztusabbak." Tehát mi van, ha a fehérjék ellenállóvá válhatnak a fordítási hibákkal szemben? Ez kevesebb káros hibát jelentene, és így jobban illeszkedik a szervezet.
A hipotézis előrejelzéseinek tesztelésére a csapat az alacsony pékélesztőhöz fordult, egy egyszerű egysejtű szervezethez, amely szereti felszívni a kenyértésztában lévő tápanyagokat, majd gázt bocsát ki, hogy a sült kenyér bolyhos állagát adja. A sütőélesztő nemcsak egyszerű organizmus, hanem rendkívül jól ismert. Ahogyan a biológusok most szekvenálták az emberi genomot, úgy az élesztő genomot is. Ezen túlmenően az élesztősejtben minden típusú fehérje számát alaposan megmérték.
Például az élesztősejtben van egy PMA1 nevű fehérje, amely transzformátorként működik, és a tárolt energiát hasznosabb formákká alakítja. Mivel semmi élő ember nem tud energia nélkül, ez az élesztősejt nagyon alapvető és fontos összetevője. És minden élesztősejt körülbelül 1,26 millió egyedi PMA1 molekulát ad ki, így ez a második legnagyobb mennyiségben előforduló sejtfehérje.
A régi feltevés az volt, hogy a PMA1 lassan változott, mert energiaátalakító funkciója annyira alapvető volt a túléléshez. A C altech csapatának új bizonyítékai azonban arra utalnak, hogy a termelt PMA1 molekulák puszta száma az oka annak, hogy a fehérje nem fejlődik túl gyorsan.
"A legfontosabb betekintés az, hogy a természetes szelekció a felesleges fehérjéket célozza meg, nem a funkcionális fehérjéket" - mondja Drummond. "Ha a fordítási hibák egy élesztősejtben lévő PMA1 fehérjék 5 százalékát szemétté változtatnák, akkor ezek a felesleges fehérjék nagyobb mennyiségben jelennének meg, mint a sejtben lévő összes többi fehérje 97 százaléka. Ez óriási mennyiségű mérgező hulladékot jelent."
Ehelyett a darwini evolúció az élesztősejteket részesíti előnyben a PMA1 olyan változatával, amely a hibák ellenére továbbra is működik, és kevesebb szemetet termel. A PMA1 ez a verziója lassan fejlődik, mert a legkisebb változtatások tönkreteszik a kulcsfontosságú hibatűrő képességét.
Vegyünk két egymással versengő számítógépgyárat. Mindketten ugyanannyi hibát követnek el az összeszerelő soron, de az egyik cég számítógépeit úgy tervezték, hogy az elkerülhetetlen hibákból olyan számítógépek születnek, amelyek továbbra is működnek, míg a másik cég tervezésénél egy hiba, és a számítógépet az újrahasznosító kupacra kell dobni. Az elsöprő piacon az előbbi vállalat alacsonyabb költségekkel és nagyobb kibocsátással gyorsan felülmúlja az utóbbit.
Hasonlóképpen, ha az élesztősejteket miniatűr gyáraknak tekintjük, az az élesztő, amelynek legnagyobb mennyiségben található fehérjéi a legkevésbé valószínű, hogy termelési hibák miatt tönkremennek, le fogja verni kevésbé hatékony riválisait. Minél optimalizáltabbak ezek a nagy mennyiségben előforduló fehérjék – annál merevebbek a specifikációk, amelyek annyira hibaállóvá teszik őket –, annál lassabban fejlődnek. Ezért a nagy bőség lassú fejlődést jelent.
A csapat most e meglepő hipotézis egyéb előrejelzéseit vizsgálja, például azt, hogy milyen konkrét kémiai változások teszik lehetővé a fehérjék számára, hogy ellenálljanak a fordítási hibáknak. "Ez a jéghegy csúcsa" - mondja Drummond.
Drummond a C altech interdiszciplináris számítási és idegrendszeri programjának végzős hallgatója. A cikk további szerzői közé tartozik két tanácsadója: Frances Arnold, a C altech Dickinson vegyészmérnöki és biokémia professzora, és Chris Adami, a populációgenetikai szakértő, aki jelenleg a kaliforniai Claremont-i Keck Graduate Institute-ban dolgozik. A többi szerző Jesse D. Bloom, a C altech kémia végzős hallgatója; és Claus Wilke, Adami egykori posztdoktori kutatója, aki nemrégiben csatlakozott az austini Texasi Egyetemhez adjunktusként.
A PNAS cikk címe: "Miért fejlődnek lassan a magasan expresszált fehérjék."
