Emergence of new function through evolutionary divergence of an intrinsically disordered region

تعتمد الحياة داخل الخلية على تدفق مستمر ومنظم للمواد. وللحفاظ على استمرار هذا التدفق، تستخدم الخلايا آلات متناهية الصغر مكونة من بروتينات لتمسك بجلد الخلية الخارجي، وتجذبه نحو الداخل، لتشكل فقاعة تحمل الشحنات إلى حيث تشتد الحاجة إليها. هذه العملية، المعروفة باسم "الالتقام الخلوي" (endocytosis)، تتطلب مجموعة محددة من البروتينات لتعمل كرواد، تصل أولاً لتحدد الموقع وتستدعي بقية الفريق. ولفترة طويلة، اعتقد العلماء أن التعليمات الخاصة بكيفية عمل هذه البروتينات مكتوبة في أشكالها الصلبة والمطوية. ومع ذلك، أظهرت مجموعة متزايدة من الأبحاث أن العديد من البروتينات تحتوي على أقسام طويلة ومرنة لا تنطوي لتتخذ شكلاً ثابتاً على الإطلاق؛ وتسمى هذه الأجزاء "المناطق غير المنظمة ذاتياً" (intrinsically disordered regions). ورغم افتقارها إلى بنية دائمة، إلا أنها ليست عديمة الفائدة، بل تعمل كوصلات مرنة تسمح للبروتينات بالتفاعل مع شركاء مختلفين. والسؤال الكبير الذي ظل دون إجابة هو كيف يمكن لهذه الأجزاء المرنة والعديمة الشكل أن تكتسب فجأة وظيفة جديدة ومحددة أثناء التطور دون أن تفقد القدرات التي تمتلكها بالفعل.

يقدم بروتينان، يُسميان FCHO1 وFCHO2، نافذة واضحة على هذا الغموض. إنهما "أبناء عمومة"، وُلدا من تضاعف جين قديم، وكلاهما يعمل كرواد لنفس العملية الخلوية. وبالرغم من تاريخهما المشترك وتصميمهما العام المتشابه، إلا أنهما يؤديان مهاماً متميزة ولا يمكنهما تبادل الأدوار؛ فإذا غاب أحدهما، لا يستطيع الآخر تولي مهامه. وقد سعى الباحثون لفهم سبب تصرف هذين البروتينين المتشابهين تقريباً بشكل مختلف تماماً. وباستخدام تقنية تسمى "مطيافية الرنين المغناطيسي النووي"، والتي تسمح للعلماء بمراقبة حركة الذرات في البروتين، اكتشفوا أن الاختلاف يكمن في تغيير عابر ومحدد داخل الأجزاء المرنة. فبينما يظل الجزء غير المنظم في FCHO2 عديم الشكل تماماً، فإن المنطقة المقابلة في FCHO1 تنطوي أحياناً لتتخذ شكلاً لولبياً ضيقاً يُعرف باسم "اللولب" (helix). وهذا اللولب ليس دائماً؛ فهو يتشكل وينحل بسرعة، لكنه مستقر بما يكفي ليتم رصده ودراسته.

كشفت الدراسة أن هذا اللولب المؤقت هو المفتاح لسلوك البروتين الفريد. ففي FCHO1، يعمل اللولب كمغناطيس يتسبب في التصاق البروتينات ببعضها البعض، مما يدفعها للتجمع في عناقيد أكبر داخل الخلية. أما FCHO2 فيفتقر إلى هذا اللولب، ونتيجة لذلك، لا يتكتل بنفس الطريقة. ولإثبات أن هذه السمة الهيكلية الصغيرة كانت السبب الوحيد لهذا الاختلاف، أجرى الباحثون تجربة دقيقة؛ حيث أخذوا الشفرة الوراثية للولب من FCHO1 وأدخلوها في FCHO2. وكان هذا الإضافة البسيطة كافية لتحويل FCHO2، ومنحه القدرة على الالتصاق بنفسه وتشكيل نفس التجمعات الخلوية مثل ابن عمه. يوضح هذا الاكتشاف أن وظيفة جديدة يمكن أن تظهر ببساطة عن طريق اكتساب منطقة غير منظمة القدرة على تكوين بنية عابرة، مما يحول الجزء المرن إلى وحدة وظيفية يمكن نقلها بين البروتينات.

وأظهر التحليل التطوري أن هذه القدرة اللولبية لم تكن موجودة في السلف الأصلي لهذه البروتينات، بل ظهرت فقط بعد تضاعف الجين، ومع مرور الوقت، أصبحت النزعة لتشكيل هذا الشكل أقوى وأكثر موثوقية. ومن المثير للاهتمام أنه بينما اكتسب FCHO1 هذه القدرة الجديدة، فقد حافظ على الوظيفة الأصلية لكلا البروتينين: وهي القدرة على الارتباط بغشاء الخلية. فالمنطقة التي شكلت اللولب الجديد لا تزال تؤدي وظيفتها القديمة المتمثلة في الالتصاق بالسطح، مما يثبت أن البروتين يمكنه تطوير سلوك جديد دون التخلي عن سلوكه القديم. يقدم هذا العمل آلية واضحة لكيفية تخصص الطبيعة للبروتينات التي تبدأ متطابقة؛ فمن خلال إضافة بنية صغيرة ومؤقتة إلى منطقة مرنة، يمكن للتطور خلق أداة جديدة للخلية مع الحفاظ على الوظائف الأساسية التي تبقي الكائن الحي على قيد الحياة.