Kan proteiner evolvera nya funktioner? (I)

av Lars Johan Erkell

Livsprocesserna i en levande cell upprätthålls av tusentals proteiner – enzymer, strukturproteiner, receptorer, transkriptionsfaktorer och mycket annat. Om en evolution ska kunna äga rum förutsätter det att dessa proteiner kan förändra sina funktioner och också att nya funktioner kan uppkomma, något vi tog upp i förra inlägget. Men hur rimligt är nu detta? Helt omöjligt, svarar många skapelsetroende, proteiner är finavstämda mikromaskiner som går sönder när de muteras. Och en sekvens av aminosyror som kan bygga upp ett fungerande protein är så astronomiskt osannolik att proteinets blotta existens är ett bevis för en intelligent skapare.

Om vi börjar med det senare påståendet bygger det på en kalkyl av sannolikheten för att ett helt protein slumpartat sätts samman av enskilda aminosyror vid ett enda tillfälle. En sorts slumpartad skapelse, alltså. Emellertid finns det ingen forskare som tror att proteiner uppkommit på det här viset, så argumentet är helt irrelevant. Evolutionsteorin bygger tvärtom på att strukturer inte uppstår på det här sättet, utan på att det vi ser i dag har evolverats från tidigare, enklare strukturer.

Frågan man då kan ställa sig är hur rimligt det är att ett fungerande protein efter några enstaka mutationer fortfarande fungerar, och kanske rent av fått en ändrad funktion. Och givetvis också frågan om hur det enklaste fungerande proteinet kan ha sett ut – vi måste ju ha en fungerande molekyl att utgå ifrån. Hur litet kan exempelvis ett enzym vara? Det visar sig att det räcker med en enda aminosyra; prolin [1] liksom alanin och isovalin [2] visar katalytisk aktivitet. Vi kan nog utgå ifrån att de allra första enzymen bestod av mycket korta peptidkedjor, och att sådana skulle kunna uppkomma spontant är inte på något sätt orimligt. Jag har skrivit mer om den saken här.

***

Robusthet
Frågan var alltså hur robust ett protein egentligen är. Är det möjligt att exempelvis ett enzym fortfarande kan fungera efter en eller flera mutationer? Det har gjorts en del forskning kring frågeställningen; man har framställt 4 000 slumpartade mutanter av enzymet lysozym och undersökt deras aktivitet [3]. Det visade sig då att i den grupp av mutanter som hade i medeltal en mutation, hade alla kvar sin aktivitet. Med i medeltal två mutationer var fortfarande 80 % av mutanterna aktiva, men med tre mutationer var det bara 20 %.

Ytterligare ett exempel: härom året publicerades en studie där man med en mer avancerad teknik muterat varje position i en s.k. PDZ-domän (en domän är en avgränsad del av ett protein) [4]. Denna typ av domän återfinns hos många olika proteiner, och har till funktion att länka samman olika proteiner som finns i cellens ytmembran. PDZ-domänen består av 83 aminosyror, och man bytte ut var och en av dem mot varje tänkbar aminosyra, en i taget. Det blev sammanlagt 1 577 olika mutanter som var och en skilde sig med en aminosyra från den ursprungliga sekvensen. Man undersökte sedan hur de olika mutanterna band till sin naturliga partner, en kort peptidkedja om nio aminosyror. Det visade sig att i ungefär 75 % av positionerna hände inte särskilt mycket då de muterades, medan i de övriga 25 % av fallen påverkades bindningen till peptiden på olika sätt.

De citerade exemplen är inga undantag utan stämmer väl med proteinbiokemisternas erfarenhet, något som intygas också av den skapelsetroende biokemisten Todd Wood. Det är tydligt att enzymer är robusta vid mutationer. En enstaka mutation har oftast ingen större effekt, och i många fall finns funktionen kvar efter ett flertal mutationer.

Evolverbarhet
Även om nu proteiner klarar flera mutationer utan att tappa sin funktion innebär ju inte detta att de kan evolvera nya funktioner. Ett argument man kan få höra från skapelsetroende är att det skulle krävas så många mutationer för att omvandla ett funktionellt protein till ett annat att sannolikheten för att något sådant skulle inträffa är helt orimligt låg. Men även den här frågan har studerats experimentellt: I de experiment med mutationer i PDZ-domänen som nämndes ovan testade man även hur de olika mutanterna band till en annan peptid än den som var den naturliga partnern [4]. Det visade sig då att fyra av mutanterna band starkare till den alternativa peptiden än vad det ursprungliga proteinet gjorde. En av dessa mutanter band fortfarande till den naturliga partnern, men efter ytterligare en mutation band den bara till den alternativa peptiden. Alltså: den ursprungliga PDZ-domänen binder bara till sin naturliga partner. Efter en mutation binder den både sin naturliga partner och en alternativ peptid. Efter ytterligare en mutation binder den bara den alternativa peptiden.

I det här fallet krävdes det bara två mutationer för att proteinet skulle byta funktion, och dessutom var mellanformen funktionell. Ingen kan påstå att proteiner omöjligen kan evolvera nya funktioner. Och vägen mellan två funktioner kan faktiskt vara ännu kortare – det kan räcka med en enda mutation: Ett monooxygenas kan omvandlas till ett NADPH-oxidas med en mutation [5]. Ett enzym som normalt tillverkar aminosyran histidin behöver bara en mutation för att i stället göra aminosyran tryptofan [6]. Ett epimeras (som rearrangerar strukturen hos sockerarter) behöver bara en mutation för att också fungera som aldolas (som kan sätta samman två molekyler) [7].

Multifunktionalitet
Nu är det förstås inte sagt att det alltid räcker med en eller två mutationer för att ge ett protein en ny funktion. Det kan behövas fler mutationer, och det är ju inte sagt att mellanformerna alltid fungerar. I så fall riskerar proteinet att selekteras bort, och då sker ingen evolution. Så kanske är det svårt att tänka sig en proteinevolution ändå?

Inte alls. Proteiner kan ha flera funktioner, och om en av dem faller bort kommer proteinet ändå att finnas kvar om andra funktioner är nödvändiga. Den muterade delen av proteinet kan då fortsätta att samla på sig mutationer; man vet att de flesta mutationer är ”nära-neutrala” och inte har någon större effekt. På så sätt är det ändå möjligt att en ny funktion som kräver flera mutationer kan uppstå.

Att proteiner har flera funktioner (ibland kallat ”protein moonlighting”) är inte ovanligt; man känner i dag till hundratals exempel på saken och nya upptäcks hela tiden [8]. Några exempel ur högen:

***

Observera att alla exempel på robusthet, evolverbarhet och multifunktionalitet jag givit ovan bara är axplock från vad man känner till. Det är alltså helt klart att proteiner kan evolvera nya funktioner, det är rent av sannolikt att det sker. Men har det verkligen hänt? Om dagens proteiner har evolverat i små steg från gemensamma former borde man kunna upprätta stamträd där man kan se hur exempelvis enzymer utvecklats. Och just detta har man kunnat göra.

Man känner i dag till mer än 6 600 olika typer av enzymer. Baserat på likheter i aminosyrasekvens och tredimensionell struktur har man kunnat ordna in 71 % av dessa i 276 grupper (”superfamiljer”) [12]. Två av dessa grupper detaljstuderades, och man kunde rekonstruera ett evolutionärt träd för var och en av dem – som väntat.

Men hallå där, säger kanske någon skapelsetroende läsare, det här är ju bara evolutionistiskt historieberättande. Man har inte bevisat att proteiner faktiskt har utvecklats på det här sättet. Och vi borde se den här evolutionen inför våra ögon, om den finns. Det blir temat för nästa inlägg.

Noter

[1] Movassaghi, M., Jacobsen, E.N. (2002): The Simplest “Enzyme”. Science 298:1904–1905.

[2] Pizzarello, S., Weber, A.L. (2004): Prebiotic Amino Acids as Asymmetric Catalysts. Science 303:1151–1153.

[3] Kunichika, K., Hashimoto, Y., Imoto, Y. (2002): Robustness of Hen Lysozyme Monitored by Random Mutations. Protein Engineering, 15:805–809.

[4] McLaughlin, R.N., Poelwijk, F.J., Raman, A., Gosal, W.S., Ranganathan, R. (2012): The Spatial Architecture of Protein Function and Adaptation. Nature 491(7422):138–142.

[5] Brondani, P.B., Dudek, H.M., Martinoli, C., Mattevi, A., Fraalje, M.W. (2014): Finding the Switch: Turning a Baeyer-Villiger Monooxygenase into a NADPH Oxidase. J. Am. Chem. Soc. 136:16966−16969.

[6] Jürgens, C., Strom, A., Wegener, D., Hettwer, S., Wilmanns, M., Sterner, R. (2000): Directed Evolution of a (βα)8-Barrel Enzyme to Catalyze Related Reactions in Two Different Metabolic Pathways. Proc. Nat. Acad. Sci USA, 97:9925–9930.

[7] Johnson, A.E., Tanner, M.E. (1998): Epimerization via Carbon-Carbon Bond Cleavage. L-Ribulose-5-Phosphate 4-Epimerase as a Masked Class II Aldolase. Biochemistry 37:5746–5754.

[8] Copley, S.D. (2012): Moonlighting is Mainstream: Paradigm Adjustment Required. Bioessays 34:578–588.

[9] Ali Kahn, H., Mutus, B. (2014): Protein Disulfide Isomerase a Multifunctional Protein with Multiple Physiological Roles. Front. Chem. 2:70.

[10] Sirover, M.A. (2011): On the Functional Diversity of Glyceraldehyde-3-phosphate Dehydrogenase: Biochemical Mechanisms and Regulatory Control. Biochim Biophys Acta 1810:741–751.

[11] Eden, G., Archinti, M., Furlan, F., Murphy, R., Degryse, B. (2011): The Urokinase Receptor Interactome. Curr. Pharm. Des. 17(19):1874–1889

[12] Furnham, N., Sillitoe, I., Holliday, G.L., Cuff, A.L., Laskowski, R.A., Orengo, C.A., Thornton, J.M. (2012): Exploring the Evolution of Novel Enzyme Functions within Structurally Defined Protein Superfamilies. PLoS Comput. Biol. 8(3): e1002403. doi:10.1371/journal.pcbi.1002403

[Ursprungligen publicerad på http://biologg.wordpress.com.]