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

Das Leben innerhalb einer Zelle hängt von einem ständigen, organisierten Fluss von Materialien ab. Um diesen Fluss aufrechtzuerhalten, nutzen Zellen winzige Maschinen aus Proteinen, um sich an die äußere Hülle der Zelle zu klammern, sie nach innen zu ziehen und eine Blase zu bilden, die Fracht dorthin trägt, wo sie benötigt wird. Dieser Prozess, bekannt als Endozytose, erfordert einen speziellen Satz von Proteinen, die als Pioniere fungieren, indem sie zuerst eintreffen, um den Ort zu markieren und den Rest des Teams zu rekrutieren. Lange Zeit glaubten Wissenschaftler, dass die Anweisungen darüber, wie diese Proteine funktionieren, in ihren starren, gefalteten Formen geschrieben stehen. Eine wachsende Zahl von Forschungsarbeiten hat jedoch gezeigt, dass viele Proteine lange, bewegliche Abschnitte enthalten, die sich überhaupt nicht in eine feste Form falten. Diese werden als intrinsisch ungeordnete Regionen bezeichnet. Obwohl sie keine permanente Struktur besitzen, sind sie nicht nutzlos; stattdessen fungieren sie als flexible Verbindungsstücke, die es Proteinen ermöglichen, mit vielen verschiedenen Partnern zu interagieren. Die große, bislang unbeantwortete Frage ist, wie diese beweglichen, formlosen Abschnitte während der Evolution plötzlich eine neue, spezifische Aufgabe übernehmen können, ohne die Fähigkeiten zu verlieren, die sie bereits besaßen.

Zwei Proteine namens FCHO1 und FCHO2 bieten ein klares Fenster in dieses Mysterium. Sie sind Cousins, entstanden aus der Duplikation eines uralten Gens, und beide dienen als Pioniere für denselben zellulären Prozess. Trotz ihrer gemeinsamen Geschichte und ihres ähnlichen Gesamtdesigns erfüllen sie unterschiedliche Aufgaben und können nicht die Plätze des jeweils anderen einnehmen. Wenn eines fehlt, kann das andere dessen Pflichten nicht übernehmen. Forscher gingen der Frage nach, warum diese zwei fast identischen Proteine sich so unterschiedlich verhalten. Durch den Einsatz einer Technik namens kernmagnetischer Resonanzspektroskopie, die es Wissenschaftlern ermöglicht, die Bewegung von Atomen in einem Protein zu beobachten, entdeckten sie, dass der Unterschied in einer spezifischen, flüchtigen Veränderung innerhalb der beweglichen Abschnitte liegt. Während die ungeordnete Region von FCHO2 völlig formlos bleibt, nimmt der entsprechende Bereich in FCHO1 gelegentlich eine enge, spiralförmige Gestalt an, die als Helix bekannt ist. Diese Spirale ist nicht permanent; sie bildet sich und löst sich schnell wieder auf, ist aber stabil genug, um detektiert und untersucht werden zu können.

Die Studie zeigte, dass diese vorübergehende Spirale der Schlüssel zum einzigartigen Verhalten des Proteins ist. In FCHO1 wirkt die Helix wie ein Magnet, der die Proteine dazu bringt, aneinander zu haften, was sie dazu treibt, sich zu größeren Clustern innerhalb der Zelle zusammenzuschließen. FCHO2 besitzt diese Helix nicht und klumpt daher nicht auf die gleiche Weise zusammen. Um zu beweisen, dass dieses kleine strukturelle Merkmal die alleinige Ursache für den Unterschied war, führten die Forscher ein präzises Experiment durch. Sie nahmen den genetischen Code für die Helix aus FCHO1 und fügten ihn in FCHO2 ein. Diese einfache Hinzufügung war ausreichend, um FCHO2 zu transformieren und ihm die Fähigkeit zu geben, an sich selbst zu haften und dieselben zellulären Ansammlungen wie sein Cousin zu bilden. Dieser Befund zeigt, dass eine neue Funktion entstehen kann, indem eine ungeordnete Region lediglich die Fähigkeit erlangt, eine transiente Struktur zu bilden, wodurch ein flexibler Abschnitt in ein funktionales Modul verwandelt wird, das zwischen Proteinen übertragen werden kann.

Die evolutionäre Analyse zeigte, dass diese helikale Fähigkeit im ursprünglichen Vorfahren dieser Proteine nicht existierte. Sie trat erst nach der Genduplikation auf, und im Laufe der Zeit wurde die Tendenz, diese Form zu bilden, stärker und zuverlässiger. Bemerkenswerterweise behielt FCHO1, während es diese neue Fähigkeit erlangte, auch die ursprüngliche Funktion beider Proteine bei: die Fähigkeit, an die Zellmembran zu binden. Die Region, die die neue Helix bildete, erfüllte immer noch ihre uralte Aufgabe, sich an die Oberfläche zu heften, was beweist, dass ein Protein ein neues Verhalten entwickeln kann, ohne seine alten Funktionen aufzugeben. Diese Arbeit liefert einen klaren Mechanismus dafür, wie die Natur Proteine spezialisieren kann, die identisch beginnen. Indem sie eine kleine, vorübergehende Struktur zu einem flexiblen Bereich hinzufügen, kann die Evolution ein neues Werkzeug für die Zelle erschaffen und gleichzeitig die essenziellen Funktionen bewahren, die den Organismus am Leben erhalten.