Phylogenetic and structural studies uncover the ancestral role of CYP74 clan proteins among proteobacterial P450s
Questo studio utilizza analisi filogenetiche e strutturali delle P450 proteobatteriche per proporre che le proteine del clan CYP74 siano il lignaggio ancestrale della superfamiglia, caratterizzato da una costante caratteristica di una tasca di cisteina di nove aminoacidi che è stata progressivamente persa durante l'evoluzione per facilitare il metabolismo aerobico e le interazioni con i partner redox.
Articolo originale sotto licenza CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). Questa è una spiegazione generata dall'IA di un preprint non sottoposto a revisione paritaria. Non è un consiglio medico. Non prendere decisioni sulla salute basandoti su questo contenuto. Leggi il disclaimer completo
Immaginate una vivace città di macchine microscopiche chiamate proteine, ognuna con un lavoro specifico per mantenere in funzione la vita. Tra le più importanti ci sono i Citocromi P450, o "P450" per brevità. Potete pensarli come i maestri chimici del mondo biologico. Il loro compito principale è prendere materie prime e modificarle, spesso aggiungendo ossigeno, per creare le molecole complesse di cui gli organismi hanno bisogno per sopravvivere, crescere e comunicare. Per molto tempo, gli scienziati hanno cercato di disegnare un albero genealogico per questi P450 per capire chi è imparentato con chi e come si sono evoluti. Ma è un lavoro disordinoso. Ci sono milioni di queste proteine in ogni regno della vita, dai batteri agli esseri umani, e sono cambiate così tanto in miliardi di anni che è come cercare di smistare un mucchio di foto di famiglia sminuzzate dove tutti appaiono leggermente diversi. Per risolvere questo enigma, i ricercatori hanno deciso di restringere il campo a un solo quartiere: i Proteobacteria, un enorme gruppo di batteri. Guardando solo a questi cugini batterici, speravano di eliminare il rumore di fondo e trovare le vere radici dell'intero albero genealogico della famiglia P450.
La storia che questo articolo racconta è simile a un'indagine investigativa sulla storia antica di queste macchine chimiche. I ricercatori, guidati da Alexander Grechkin, hanno raccolto un enorme dataset di 81 diverse proteine P450 provenienti da varie tipologie di Proteobacteria. Non si sono limitati a guardare i compiti delle proteine; hanno esaminato i loro progetti — le loro sequenze aminoacidiche — e hanno costruito un albero genealogico dettagliato utilizzando potenti modelli informatici. La grande domanda era: quale di queste proteine batteriche è la "nonna" di tutte le altre?
L'indagine ha rivelato un modello chiaro che punta a un antenato sorprendente. Lo studio ha scoperto che il clan CYP74 di proteine si trova proprio alla base, o al piede, dell'albero evolutivo. Ciò suggerisce che le proteine CYP74 siano i rappresentanti più antichi della famiglia P450. Ma l'indizio più affascinante non era solo la loro posizione sull'albero; era una strana caratteristica fisica che tutte condividevano.
Immaginate la proteina P450 come una piccola e complessa serratura. Nel mezzo di questa serratura, c'è una tasca speciale dove si incastra una chiave (una molecola chiamata eme). Nella maggior parte dei P450 moderni, questa tasca è liscia e aerodinamica. Tuttavia, gli antichi CYP74 hanno una strana, extra lembo di tessuto — una "coda" fatta di aminoacidi — che sporge proprio in questa tasca. I ricercatori hanno scoperto che questa "coda" è un'inserzione di nove aminoacidi (o un'inserzione di dieci aminoacidi in un batterio specifico, molto antico nell'aspetto, chiamato Paracoccaceae).
Mentre i ricercatori risalivano l'albero genealogico dai CYP74 antichi ai loro discendenti più moderni, hanno notato una tendenza affascinante: questa "coda" ha iniziato a diventare più corta.
- Il clan CYP5164 (un gruppo fratello del CYP74) aveva una coda di sette aminoacidi.
- La famiglia CYP152 aveva una coda di quattro aminoacidi.
- Un gruppo di proteine non classificate aveva una coda di tre aminoacidi.
- Infine, i gruppi più moderni (come i clan CYP7, CYP4 e CYP51) non avevano affatto la coda.
L'articolo suggerisce che questa "coda" non fosse in realtà un'aggiunta avvenuta in seguito; piuttosto, era una caratteristica primitiva che gli antenati possedevano, che i loro discendenti hanno gradualmente perso. Pensatela come un pesante e ingombrante cappotto invernale. I primissimi P450 indossavano questo pesante cappotto (la lunga inserzione) perché vivevano in un mondo antico con poco ossigeno. Ma mentre l'atmosfera terrestre cambiava e l'ossigeno diventava abbondante, queste proteine dovevano cambiare il loro modo di lavorare. Dovevano interagire con nuovi partner (partner redox) per funzionare in questo nuovo mondo ricco di ossigeno. Il pesante cappotto era d'intralcio! Così, nel corso di milioni di anni, l'evoluzione ha lentamente accorciato il cappotto, tagliando via gli aminoacidi pezzo dopo pezzo finché le proteine non sono diventate agili e pronte per il loro nuovo stile di vita aerobico.
Lo studio argomenta esplicitamente contro un'idea precedente che suggeriva che queste "code" fossero state aggiunte in seguito per impedire alle proteine di interagire con i partner sbagliati. Inveve, gli autori propongono l'esatto opposto: la coda era lo stato originale, e perderla era il passo necessario per permettere alle proteine di evolversi nelle macchine dipendenti dall'ossigeno che vediamo oggi.
Utilizzando la proteina CYP74 del batterio Paracoccaceae come punto di riferimento (un "outgroup"), i ricercatori hanno costruito anche alberi genealogici per le piante (Arabidopsis) e gli animali (Branchiostoma). In entrambi i casi, i CYP74 apparivano ancora alla base dell'albero, rafforzando l'idea che siano gli antichi antenati dei P450 in tutto l'albero della vita, non solo nei batteri.
In breve, questo articolo suggerisce che la "strana coda" trovata nelle proteine CYP74 è un fossile molecolare. È un resto dei primissimi P450 che vivevano su una Terra povera di ossigeno. Mentre la vita evolveva per respirare l'ossigeno, queste proteine hanno abbandonato le loro antiche code per diventare i chimici efficienti che usano l'ossigeno e che guidano la vita oggi. Lo studio non pretende di aver risolto ogni mistero dell'evoluzione dei P450, ma fornisce una mappa solida e supportata dai dati che mostra come il clan CYP74 sia la radice da cui è cresciuta il resto della famiglia.
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