Ewolucja molekularnych białek opiekuńczych

Chaperony, zwane także molekularnymi białkami opiekuńczymi , to białka, które pomagają innym białkom w przyjmowaniu ich trójwymiarowego fałdu , który jest niezbędny do funkcjonowania białek. Jednak pofałdowanie białka jest wrażliwe na warunki środowiskowe, takie jak temperatura i pH, dlatego potrzebne są białka opiekuńcze, aby utrzymać białka w ich funkcjonalnym pofałdowaniu w różnych warunkach środowiskowych. Chaperony są integralną częścią sieci kontroli jakości białek w komórce , pomagając w fałdowaniu białek i są wszechobecne w różnych taksonach biologicznych. Ponieważ fałdowanie białek, a tym samym funkcja białek, jest podatne na warunki środowiskowe, białka opiekuńcze mogą stanowić ważny komórkowy aspekt bioróżnorodności i tolerancji środowiskowej przez organizmy żyjące w niebezpiecznych warunkach. Chaperony wpływają również ogólnie na ewolucję białek, ponieważ wiele białek zasadniczo wymaga fałdowania białek opiekuńczych lub jest naturalnie podatnych na nieprawidłowe fałdowanie, a zatem łagodzi agregację białek .

Ewolucja opiekunów

Ewolucyjny rozwój białek opiekuńczych jest silnie powiązany z ogólną ewolucją białek, ponieważ ich podstawowa funkcja zależy od obecności białek. Białka wybrano jako główne katalizatory biologiczne zamiast rybozymów , cząsteczek RNA zdolnych do katalizowania reakcji biologicznych na wczesnym etapie ewolucji komórkowej. Różnorodność monomerów (4 nukleotydy w porównaniu z 20 aminokwasami), interakcje podczas fałdowania i konsekwencje zmian w sekwencji to tylko niektóre z hipotez, które próbują wyjaśnić, dlaczego białka zostały wybrane zamiast rybozymów.

Małe białka fałdują się spontanicznie, ale rozwój coraz większych białek, które mają bardziej złożone wzory fałdowania i interakcje wewnątrzcząsteczkowe, wymagałby białek opiekuńczych, aby zapobiec agregacji białek z powodu nieprawidłowego fałdowania. Fałdowanie wczesnych białek byłoby podatne na błędy w starożytnym cytozolu komórkowym, a białka opiekuńcze byłyby potrzebne do pomocy w rozwijaniu i ponownym fałdowaniu.

Białka szoku cieplnego

Białka szoku cieplnego (HSP) to zróżnicowana klasa molekularnych białek opiekuńczych, które pomagają w fałdowaniu pod wpływem stresu. Chociaż pierwotnie zidentyfikowano ją w odpowiedzi na stres cieplny (stąd nazwa „szok cieplny”), indukowana ekspresja HSP jest konsekwencją wszystkich znanych stresorów (pH, osmotyczne, temperatura, wyczerpanie energii, stężenie jonów itp.). Stres genetyczny, będący wynikiem szkodliwych mutacji, również zwiększa ekspresję HSP. HSP są wszechobecne we wszystkich domenach życia (bakterie, archeony i eukarioty) i zostały znalezione u każdego gatunku, pod kątem którego zostały przetestowane. HSP są podzielone na rodziny, w oparciu o homologię sekwencji i masę cząsteczkową ( hsp110, hsp100, hsp90, hsp70, hsp60, hsp40, hsp10 i małe rodziny hsp ).

Białka są bardzo podatne na denaturację ze względu na warunki środowiskowe, a organizmy żyjące w niebezpiecznych warunkach powinny mieć podstawowy poziom ekspresji HSP. Jednak inne adaptacje, takie jak kolonizacja mniej niebezpiecznych mikrosiedlisk lub inne adaptacje behawioralne, mogą również przyczynić się do aklimatyzacji w stresujących siedliskach. Ponadto „normalne” środowiska mogą również wywierać stres na mieszkańcach (na przykład susza lub zmiany sezonowe). Czynniki te zaciemniają związek między ekspresją HSP a odpornością na stres środowiskowy, a ekspresja HSP w przyrodzie nie jest dobrze scharakteryzowana.

Podwyższona ekspresja białek szoku cieplnego nie jest skorelowana z przewlekłym stresem środowiskowym i uważa się, że jest spowodowana kosztami ekspresji HSP. Wiadomo, że wysokie poziomy hsp70 towarzyszą deficytom w podziale komórek, reprodukcji i sukcesie reprodukcyjnym. Wewnątrzkomórkowo ekspresja HSP wyłącza normalne funkcje komórkowe i kieruje dużą ilość energii na odporność na stres. Ponadto przypuszcza się, że wysokie poziomy HSP są toksyczne z powodu zakłócenia funkcji komórek, prawdopodobnie przez nadmierne wiązanie białek-klientów. Wyniki te sugerują, że koszty ekspresji HSP są bardziej odpowiednie dla tymczasowych stresorów.

Buforowanie opiekuna

Chaperony są również zaangażowane w zrozumienie związku między genotypem a fenotypem. Pofałdowanie białka samo w sobie przechodzi od genotypu do fenotypu: struktura pierwotna/sekwencja aminokwasowa odzwierciedla genotyp, podczas gdy końcowe, funkcjonalne pofałdowanie, struktura trzeciorzędowa lub czwartorzędowa, reprezentuje fenotyp. Ponieważ białka opiekuńcze są mediatorami tego przejścia, pomagając w fałdowaniu białka klienta, uważa się, że aktywność opiekuńcza moduluje adaptacyjną ewolucję proteomu .

Jedną z obserwacji zgodnych z tą hipotezą jest buforowanie białka opiekuńczego, gdzie aktywność białka opiekuńczego maskuje lub „buforuje” szkodliwe lub destabilizujące mutacje w białku klienta. U Drosophila melanogaster zmniejszona aktywność hsp90 skutkowała niedoborem fenotypów spowodowanym mutacjami w szlakach rozwojowych. Wykazano również, że Hsp70 u Drosophila buforuje szkodliwe mutacje. Podobne wyniki uzyskano w przypadku Saccharomyces cerevisiae i Arabidopsis thaliana . Prace nad Escherichia coli wykazały, że system GroES / GroEL (znany również jako odpowiednio hsp10 i hsp60 ) podobnie buforował efekt mutacji destabilizujących w fosfotriesterazie. Mutacja zakłóciła fałdowanie białka, ale spowodowała wzrost wydajności fałdowania wspomaganego przez białka opiekuńcze. Wyniki te ilustrują model, w którym ewolucja może oddziaływać na fenotyp białka, podczas gdy szkodliwy wpływ genotypu jest łagodzony przez białka opiekuńcze.

Chaperony i teoria endosymbiozy

Chaperony to starożytne białka, które zostały ewolucyjnie zachowane we wszystkich domenach życia i są wszechobecne we wszystkich taksonach biologicznych. Ponieważ są tak rozpowszechnione i starożytne, można je wykorzystać jako markery molekularne w badaniach starożytnej ewolucji komórkowej.

filogenetyczna z wykorzystaniem dwóch rodzin HSP ( hsp10 i hsp60 , zwanych także chaperoninami ) potwierdza obecny model endosymbiozy pochodzenia mitochondriów i chloroplastów. Hsp10 i hsp60 są obecne we wszystkich eubakteriach i organellach eukariontów (mitochondria i chloroplasty), ale nie w cytozolu i archebakterii komórek eukariotycznych. Drzewa filogenetyczne zostały wygenerowane przy użyciu 56 całkowitych sekwencji aminokwasowych z bakterii Gram-dodatnich i Gram-ujemnych ; mitochondria z roślin, zwierząt, grzybów i protistów; cyjanobakteria; i chloroplasty. Dowolne dwie sekwencje aminokwasowe hsp60 mają co najmniej 40% podobieństwa, przy czym 18-20% różnic pochodzi ze zmian konserwatywnych (nienaładowany aminokwas do innego nienaładowanego aminokwasu). Dowolne dwie sekwencje aminokwasowe hsp10 mają co najmniej 30% podobieństwa, z 15-20% konserwatywnymi zmianami. Analiza filogenetyczna przy użyciu hsp10 i hsp60 daje wyniki podobne do tych dla rRNA i innych genów. Stwierdzono, że mitochondria są najbliżej spokrewnione z α-fioletowym podziałem bakterii Gram-ujemnych, a chloroplasty były najbardziej podobne do sinic, podobnie jak inne dane potwierdzające teorię endosymbiozy. Stwierdzono, że bakterie Gram-dodatnie są najbardziej przodkami, co potwierdzają również inne badania.