Peter Wolynes della Rice University e il suo gruppo di ricerca hanno svelato una svolta nella comprensione di come si evolvono sequenze genetiche specifiche, note come pseudogeni. Il loro articolo è stato pubblicato il 13 maggio dal Atti dell’Accademia Nazionale delle Scienze.
Guidato da Wolynes, professore di scienze della DR Bullard-Welch Foundation, professore di chimica, bioscienze, fisica e astronomia e co-direttore del Center for Theoretical Biological Physics (CTBP), il team si è concentrato sulla decifrazione dei complessi paesaggi energetici della de- sequenze proteiche putative evolute corrispondenti a pseudogeni.
Gli pseudogeni sono segmenti di DNA che una volta codificavano proteine ma da allora hanno perso la capacità di farlo a causa della degradazione della sequenza, un fenomeno chiamato devoluzione. Qui, la devoluzione rappresenta un processo evolutivo non vincolato che avviene senza le consuete pressioni evolutive che regolano le sequenze funzionali di codifica delle proteine.
Nonostante il loro stato inattivo, gli pseudogeni offrono una finestra sul viaggio evolutivo delle proteine.
“Il nostro articolo spiega che le proteine possono de-evolversi”, ha detto Wolynes. “Una sequenza di DNA può, mediante mutazioni o altri mezzi, perdere il segnale che le dice di codificare per una proteina. Il DNA continua a mutare ma non deve portare a una sequenza che possa ripiegarsi.”
I ricercatori hanno studiato il DNA spazzatura in un genoma che si è de-evoluto. La loro ricerca ha rivelato che un accumulo di mutazioni nelle sequenze di pseudogeni tipicamente interrompe la rete nativa di interazioni stabilizzanti, rendendo difficile per queste sequenze, se dovessero essere tradotte, ripiegarsi in proteine funzionali.
Tuttavia, i ricercatori hanno osservato casi in cui alcune mutazioni hanno inaspettatamente stabilizzato il ripiegamento degli pseudogeni al costo di alterare le loro precedenti funzioni biologiche.
Hanno identificato pseudogeni specifici, come la ciclofilina A, la profilina-1 e la piccola proteina modificatrice 2 simile all’ubiquitina, in cui si sono verificate mutazioni stabilizzanti in regioni cruciali per il legame con altre molecole e altre funzioni, suggerendo un complesso equilibrio tra stabilità proteica e attività biologica.
Inoltre, lo studio evidenzia la natura dinamica dell’evoluzione delle proteine poiché alcuni geni precedentemente pseudogenizzati potrebbero riacquistare la loro funzione di codifica delle proteine nel tempo nonostante abbiano subito mutazioni multiple.
Utilizzando sofisticati modelli computazionali, i ricercatori hanno interpretato l’interazione tra i paesaggi fisici di piegamento e i paesaggi evolutivi degli pseudogeni. Le loro scoperte forniscono la prova che il carattere a imbuto dei paesaggi pieghevoli deriva dall’evoluzione.
“Le proteine possono deevolversi e la loro capacità di ripiegarsi viene compromessa nel tempo a causa di mutazioni o altri mezzi”, ha detto Wolynes. “Il nostro studio offre la prima prova diretta che l’evoluzione sta modellando il ripiegamento delle proteine.”
Insieme a Wolynes, il gruppo di ricerca comprende l’autrice principale e studentessa laureata in fisica applicata Hana Jaafari; Carlos Bueno, associato post-dottorato del CTBP; Jonathan Martin, studente laureato dell’Università del Texas a Dallas; Faruck Morcos, professore associato presso il Dipartimento di Scienze Biologiche dell’UT-Dallas; e il ricercatore di biofisica del CTBP Nicholas P. Schafer.
Le implicazioni di questa ricerca si estendono oltre la biologia teorica con potenziali applicazioni nell’ingegneria delle proteine, ha affermato Jaafari.
“Sarebbe interessante vedere se qualcuno in laboratorio potesse confermare i nostri risultati per vedere cosa succede agli pseudogeni che erano fisicamente più stabili”, ha detto Jaafari. “Abbiamo un’idea basata sulla nostra analisi, ma sarebbe interessante ottenere una validazione sperimentale.”
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