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

A vida dentro de uma célula depende de um fluxo constante e organizado de materiais. Para manter esse fluxo em movimento, as células utilizam pequenas máquinas feitas de proteínas para agarrar-se à pele externa da célula, puxá-la para dentro e formar uma bolha que transporta carga para onde ela é necessária. Esse processo, conhecido como endocitose, requer um conjunto específico de proteínas para agir como pioneiras, chegando primeiro para marcar o local e recrutar o restante da equipe. Por muito tempo, os cientistas acreditaram que as instruções de como essas proteínas funcionam estavam escritas em suas formas rígidas e dobradas. No entanto, um corpo crescente de pesquisas mostrou que muitas proteínas contêm seções longas e maleáveis que não se dobram em uma forma fixa de forma alguma. Estas são chamadas de regiões intrinsecamente desordenadas. Embora careçam de uma estrutura permanente, elas não são inúteis; em vez disso, atuam como conectores flexíveis que permitem às proteínas interagir com muitos parceiros diferentes. A grande questão que permaneceu sem resposta é como essas seções desordenadas e sem forma podem subitamente ganhar um novo trabalho específico durante a evolução sem perder as habilidades que já possuíam.

Duas proteínas, chamadas FCHO1 e FCHO2, oferecem uma janela clara para este mistério. Elas são primas, nascidas da duplicação de um gene antigo, e ambas servem como pioneiras para o mesmo processo celular. Apesar de sua história compartilhada e design geral semelhante, elas desempenham tarefas distintas e não podem trocar de lugar uma com a outra. Se uma estiver faltando, a outra não pode assumir seus deveres. Pesquisadores se propuseram a entender por que essas duas proteínas quase idênticas se comportam de forma tão diferente. Ao utilizar uma técnica chamada espectroscopia de ressonância magnética nuclear, que permite aos cientistas observar o movimento de átomos em uma proteína, eles descobriram que a diferença reside em uma mudança específica e fugaz dentro das seções desordenadas. Enquanto a região desordenada da FCHO2 permanece completamente sem forma, a região correspondente na FCHO1 ocasionalmente assume uma forma de espiral apertada conhecida como hélice. Esta espiral não é permanente; ela se forma e se dissolve rapidamente, mas é estável o suficiente para ser detectada e estudada.

O estudo revelou que esta espiral temporária é a chave para o comportamento único da proteína. Na FCHO1, a hélice atua como um ímã que faz com que as proteínas grudem umas nas outras, levando-as a se montar em grandes aglomerados dentro da célula. A FCHO2 carece desta hélice e, como resultado, não se aglomera da mesma maneira. Para provar que essa pequena característica estrutural era a única causa da diferença, os pesquisadores realizaram um experimento preciso. Eles pegaram o código genético para a hélice da FCHO1 e o inseriram na FCHO2. Essa simples adição foi suficiente para transformar a FCHO2, dando-lhe a capacidade de aderir a si mesma e formar os mesmos agrupamentos celulares que seu primo. Esta descoberta demonstra que uma nova função pode emergir simplesmente por uma região desordenada ganhar a capacidade de formar uma estrutura transitória, transformando um segmento flexível em um módulo funcional que pode ser transferido entre proteínas.

A análise evolutiva mostrou que esta habilidade helicoidal não existia no ancestral original dessas proteínas. Ela apareceu apenas após o gene duplicar e, com o tempo, a tendência de formar esta forma tornou-se mais forte e confiável. Notavelmente, mesmo enquanto a FCHO1 ganhava esta nova habilidade, ela manteve a função original de ambas as proteínas: a capacidade de se ligar à membrana celular. A região que formou a nova hélice ainda desempenhava seu trabalho antigo de fixação à superfície, provando que uma proteína pode evoluir um novo comportamento sem descartar o seu antigo. Este trabalho fornece um mecanismo claro de como a natureza pode especializar proteínas que começam idênticas. Ao adicionar uma pequena estrutura temporária a uma região flexível, a evolução pode criar uma nova ferramenta para a célula enquanto preserva as funções essenciais que mantêm o organismo vivo.