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

La vita all'interno di una cellula dipende da un flusso costante e organizzato di materiali. Per mantenere in movimento questo flusso, le cellule utilizzano minuscole macchine fatte di proteine per aggrapparsi alla pelle esterna della cellula, tirarla verso l'interno e formare una bolla che trasporti il carico dove necessario. Questo processo, noto come endocitosi, richiede un set specifico di proteine che agiscano da pionieri, arrivando per primi per segnare il punto e reclutare il resto della squadra. Per molto tempo, gli scienziati hanno creduto che le istruzioni su come queste proteine funzionano fossero scritte nelle loro forme rigide e ripiegate. Tuttavia, un crescente corpo di ricerche ha dimostrato che molte proteine contengono lunghe sezioni flessibili che non si ripiegano affatto in una forma fissa. Queste sono chiamate regioni intrinsecamente disordinate. Sebbene manchino di una struttura permanente, non sono inutili; al contrario, agiscono come connettori flessibili che permettono alle proteine di interagire con molti partner diversi. La grande domanda che è rimasta senza risposta è come queste sezioni fluttuanti e senza forma possano improvvisamente acquisire un nuovo compito specifico durante l'evoluzione senza perdere le abilità che già possedevano.

Due proteine, chiamate FCHO1 e FCHO2, offrono una chiara finestra su questo mistero. Sono cugine, nate dalla duplicazione di un antico gene, e servono entrambe come pionieri per lo stesso processo cellulare. Nonostante la loro storia condivisa e il design complessivo simile, esse svolgono compiti distinti e non possono scambiarsi i posti. Se una viene a mancare, l'altra non può subentrare nei suoi doveri. I ricercatori si sono posti l'obiettivo di capire perché queste due proteine quasi identiche si comportino in modo così diverso. Utilizzando una tecnica chiamata spettroscopia di risonanza magnetica nucleare, che permette agli scienziati di osservare il movimento degli atomi in una proteina, hanno scoperto che la differenza risiede in un cambiamento specifico e fugace all'interno delle sezioni flessibili. Mentre la regione disordinata di FCHO2 rimane completamente priva di forma, la regione corrispondente in FCHO1 si snoda occasionalmente in una forma a spirale stretta nota come elica. Questa spirale non è permanente; si forma e si dissolve rapidamente, ma è abbastanza stabile da essere rilevata e studiata.

Lo studio ha rivelato che questa spirale temporanea è la chiave del comportamento unico della proteina. In FCHO1, l'elica agisce come un magnete che causa l'adesione delle proteine tra loro, spingendole ad assemblarsi in ampi cluster all'interno della cellula. FFLO2 manca di questa elica e, di conseguenza, non si aggrega nello stesso modo. Per dimostrare che questa piccola caratteristica strutturale fosse l'unica causa della differenza, i ricercatori hanno eseguito un esperimento preciso. Hanno preso il codice genetico per l'elica da FCHO1 e lo hanno inserito in FCHO2. Questa semplice aggiunta è stata sufficiente a trasformare FCHO2, conferendogli la capacità di aderire a se stesso e formare gli stessi assemblaggi cellulari del suo cugino. Questa scoperta dimostra che una nuova funzione può emergere semplicemente perché una regione disordinata acquisisce la capacità di formare una struttura transitoria, trasformando un segmento flessibile in un modulo funzionale che può essere trasferito tra le proteine.

L'analisi evolutiva ha mostrato che questa capacità elicoidale non esisteva nell'antenato originale di queste proteine. È apparsa solo dopo che il gene si è duplicato e, nel tempo, la tendenza a formare questa forma è diventata più forte e affidabile. Sorprendentemente, anche mentre FCHO1 acquisiva questa nuova capacità di auto-assemblaggio, manteneva la funzione originale di entrambe le proteine: la capacità di legarsi alla membrana cellulare. La regione che formava la nuova elica svolgeva ancora il suo antico compito di attaccarsi alla superficie, provando che una proteina può evolvere un nuovo comportamento senza scartare il proprio vecchio. Questo lavoro fornisce un meccanismo chiaro su come la natura possa specializzare proteine che partono come identiche. Aggiungendo una piccola struttura temporanea a una regione flessibile, l'evoluzione può creare un nuovo strumento per la cellula preservando al contempo le funzioni essenziali che mantengono in vita l'organismo.