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

Het leven binnen een cel is afhankelijk van een constante, georganiseerde stroom van materialen. Om deze stroom in beweging te houden, gebruiken cellen minuscule machines gemaakt van eiwitten om zich vast te grijpen aan de buitenste huid van de cel, deze naar binnen te trekken en een blaasje te vormen dat lading vervoert naar de plek waar het nodig is. Dit proces, bekend als endocytose, vereist een specifieke set eiwitten die als pioniers fungeren, door als eerste aan te komen om de plek te markeren en de rest van het team te rekruteren. Lange tijd geloofden wetenschappers dat de instructies voor hoe deze eiwitten werken, geschreven stonden in hun rigide, gevouwen vormen. Echter, een groeiende hoeveelheid onderzoek heeft aangetoond dat veel eiwitten lange, slappe secties bevatten die helemaal niet in een vaste vorm vouwen. Dit worden intrinsiek ongeordende regio's genoemd. Hoewel ze geen permanente structuur missen, zijn ze niet nutteloos; in plaats daarvan fungeren ze als flexibele verbinders die ervoor zorgen dat eiwitten met veel verschillende partners kunnen interageren. De grote vraag die onbeantwoord is gebleven, is hoe deze slappe, vormloze secties plotseling een nieuwe, specifieke taak kunnen krijgen tijdens de evolutie zonder de vaardigheden die ze al hadden te verliezen.

Twee eiwitten, genaamd FCHO1 en FCHO2, bieden een helder venster op dit mysterie. Ze zijn neven, geboren uit de duplicatie van een oeroud gen, en ze dienen beiden als pioniers voor hetzelfde cellulaire proces. Ondanks hun gedeelde geschiedenis en vergelijkbare algemene ontwerp, vervullen ze verschillende taken en kunnen ze niet van plaats wisselen. Als de een ontbreekt, kan de ander zijn taken niet overnemen. Onderzoekers zetten zich in om te begrijpen waarom deze twee bijna identieke eiwitten zo verschillend gedrag vertonen. Door gebruik te maken van een techniek genaamd kernspinresonantie-spectroscopie, waarmee wetenschappers de beweging van atomen in een eiwit kunnen observeren, ontdekten zij dat het verschil ligt in een specifieke, vluchtige verandering binnen de slappe secties. Terwijl de ongeordende regio van FCHO2 volledig vormloos blijft, schiet de overeenkomstige regio in FCHO1 af en toe in een strakke, spiraalvormige structuur die een helix wordt genoemd. Deze spiraal is niet permanent; hij vormt en lost snel op, maar is stabiel genoeg om gedetecteerd en bestudeerd te worden.

De studie onthulde dat deze tijdelijke spiraal de sleutel is tot het unieke gedrag van het eiwit. Bij FCHO1 werkt de helix als een magneet die ervoor zorgt dat de eiwitten aan elkaar blijven plakken, wat hen aanzet tot assemblage in grotere clusters binnen de cel. FCHO2 mist deze helix en kan daardoor niet op dezelfde manier samenklonteren. Om te bewijzen dat dit kleine structurele kenmerk de enige oorzaak van het verschil was, voerden de onderzoekers een nauwkeurig experiment uit. Ze namen de genetische code voor de helix van FCHO1 en voegden deze toe aan FCHO2. Deze eenvoudige toevoeging was voldoende om FCHO2 te transformeren, waardoor het de mogelijkheid kreeg om aan zichzelf te plakken en dezelfde cellulaire assemblages te vormen als zijn neef. Deze bevinding toont aan dat een nieuwe functie kan ontstaan simpelweg door een ongeordende regio de mogelijkheid te geven om een tijdelijke structuur te vormen, waardoor een flexibel segment verandert in een functioneel module die tussen eiwitten kan worden overgedragen.

Evolutionaire analyse toonde aan dat deze helicale capaciteit niet bestond in de oorspronkelijke voorouder van deze eiwitten. Het verscheen pas nadat het gen dupliceerde, en in de loop van de tijd werd de neiging om deze vorm aan te nemen sterker en betrouwbaarder. Bemerkenswaardig genoeg, terwijl FCHO1 deze nieuwe vaardigheid verwierf, behield het de oorspronkelijke functie van beide eiwitten: de mogelijkheid om te binden aan het celmembraan. De regio die de nieuwe helix vormde, voerde nog steeds de oude taak uit van het hechten aan het oppervlak, wat bewijst dat een eiwit een nieuw gedrag kan ontwikkelen zonder de oude functies weg te gooien. Dit werk biedt een duidelijk mechanisme voor hoe de natuur eiwitten kan specialiseren die identiek beginnen. Door een kleine, tijdelijke structuur toe te voegen aan een flexibele regio, kan de evolutie een nieuw instrument voor de cel creëren terwijl de essentiële functies die de organisme in leven houden, behouden blijven.