Kan proteiner evolvera nya funktioner? (II)

av Lars Johan Erkell

Frågan om hur livsformer evolverar nya funktioner är central för evolutionsteorin. För att något sådant ska kunna ske måste proteiner tåla mutationer, och mutationerna måste också kunna leda till att nya funktioner uppkommer. I förra inlägget såg vi att detta är både möjligt och rimligt. Denna gång ska vi diskutera direkta evidens för att sådana här processer faktiskt äger rum.

Människans genom befinner sig i en ständig ombyggnad, som hos alla organismer. I var och en av oss har våra föräldrars gener kombinerats på nytt, och många olika typer av mutationer inträffar hela tiden. En vanlig process är genduplicering då enskilda gener eller längre sträckor av DNA fördubblas (figur 1). Ibland leder detta till skador av olika slag, men i många fall blir resultatet att det nu finns två intakta kopior av en gen. En av genkopiorna behövs då inte och kan därför samla på sig mutationer utan att det måste leda till skador. Det kan rent av hända att den muterade genkopian kan få en förändrad funktion som är så fördelaktig att den breder ut sig i populationen, som då begåvas med en ny gen. Eller också kan kopian hamna i en position där den uttrycks under andra förhållanden än tidigare, något som också kan ge cellen en förändrad funktion.



Figur 1: Genduplikation.


Vad gäller enzymer tänker man sig att genduplikationer kan leda till evolution av nya funktioner särskilt lätt om processen börjar med ett enzym som redan från början har två olika funktioner; då skulle de två kopiorna kunna evolveras till specifika, effektivare varianter med var sin funktion. Att enzym har flera olika aktiviteter är inte på något sätt ovanligt – det finns gott om exempel på sådana s.k. promiskuösa enzym [1].

Emellertid behöver man inte nöja sig med att spekulera kring en sådan här utveckling. Det finns i dag flera exempel på att man kunnat rekonstruera hela händelsekedjan. Man utgår då från existerande enzym med liknande specifika funktioner, och man ställer upp hypotesen att dessa olika former härstammar ifrån ett primitivt enzym som inte var så specifikt utan kunde katalysera flera olika reaktioner, men då med låg effektivitet. För att pröva hypotesen kan man räkna ut hur den här urformen borde sett ut, och man kan också rekonstruera den.

Ett exempel på en sådan rekonstruktion gäller enzym som hydrolyserar maltos resp. isomaltos hos olika jäststammar. Man konstruerade ett stamträd som visade vilka mutationer och genduplikationer som ägt rum när de olika enzymen utvecklades från ett ”urenzym”. Det innebar också att man kunde räkna ut hur detta ursprungliga, förmodat bredspecifika, enzym hade sett ut. När man sedan rekonstruerade ”urenzymet” i laboratoriet visade det sig att det hade precis den typ av aktivitet man förutsagt; det hydrolyserade både maltos och isomaltos [2].

En liknande studie har gjorts för två besläktade receptorer, glukokortikoidreceptorn (GR) och mineralkortikoidreceptorn (MR). En rekonstruktion av ett stamträd till dagens receptorer visade att de hade sitt ursprung i samma typ av receptor för ca 450 miljoner år sedan. Denna receptor liknade troligen dagens MR-receptor som är känslig för både glukokortikoider och mineralkortikoider. Efter en genduplikation har den ena kopian samlat på sig ett antal mutationer av vilka tre stycken troligen varit avgörande. Resultatet blev att GR-receptorn blev mindre känslig, samtidigt som den nu blev specifikt känslig för glukokortikoider.

För att testa den här modellen rekonstruerade man den tänkta ursprungsreceptorn i laboratoriet och kunde konstatera att den faktiskt hade just den typ av aktivitet man förutsagt [3,4].

Observera att detta inte handlar om spekulationer, det handlar om empirisk hypotesprövning. Med utgångspunkt från hypotesen om att ett ”urenzym” skulle haft en viss egenskap, har man rekonstruerat enzymet och då kunnat konstatera att det faktiskt har de egenskaper man väntat sig. Det är starka belägg för att tanken om evolution via genduplikation är korrekt – hur skulle man annars kunnat få de här resultaten? Vilken skulle den alternativa förklaringen vara?

***

Man har nu också i realtid kunnat observera hur genduplikationer följt av mutationer lett till uppkomst av nya funktioner. I Richard Lenskis bekanta långtidsexperiment med colibakterier skedde flera mutationer som tillsammans ledde till att bakterierna kunde förbränna det citrat som fanns i odlingsmediet, vilket gav mutanterna en stor fördel. Tidigare kunde bakterierna bara använda citrat under syrefria förhållanden beroende på att de inte kunde starta tillverkningen av det transportprotein som behövs för att ta upp citratet om syre fanns närvarande. Och eftersom de odlades i närvaro av syre kunde de inte ta upp citratet.

En av de avgörande förändringar som inträffade under experimentets gång var att citT-genen (som kodar för transportproteinet) duplicerades och att den nya kopian hamnade i en position där den kontrollerades av den s.k. rnk-promotorn. Detta betydde att regleringen av genen förändrades så att den nu var aktiv i närvaro av syre; transportproteinet tillverkades så bakterierna kunde ta upp citratet och förbränna det. Här ser vi alltså genduplikationshypotesen bekräftad: genduplikation => kopian får en förändrad egenskap => cellen får en ny funktion. Och allt detta skedde på laboratoriet, inför forskarnas ögon [5].

Ett liknande försök har utförts av Dan Anderssons grupp vid Uppsala universitet. Här använde man Salmonella-bakterier som inte kunde tillverka aminosyrorna tryptofan och histidin, och som alltså inte kunde växa i ett medium där de saknades. Man introducerade emellertid en gen för ett bifunktionellt protein som kunde tillverka både tryptofan och histidin, men med låg effektivitet. Det gjorde att bakterierna nu kunde växa i ett medium utan tryptofan eller histidin, om än långsamt. Det som sedan skedde var att bakterierna tillverkade flera kopior av genen, upp till 20 stycken. Genkopiorna samlade på sig mutationer och enzymen förändrade sina funktioner så att de specialiserade sig på antingen tryptofan- eller histidinsyntes. I en del fall behölls båda funktionerna. Och allt detta under loppet av ett år med 3 000 generationer [6]. Här har vi alltså ytterligare ett exempel på att en gen dupliceras och att kopiorna ändrar sin funktion. Allt under väl kontrollerade betingelser på laboratoriet.

Principen är klar: extra genkopior kan uppstå spontant, och kopiorna kan samla på sig mutationer eller hamna i en ny position i genomet, vilket kan medföra nya funktioner. Att detta också har skett i naturen har vi belägg för genom de rekonstruktioner av ”fossila” proteiner som gjorts. Den kunskap vi har i dag visar klart att genduplikationer kan leda till uppkomsten av nya funktioner. Vi har heller inga skäl att tro något annat.

***

Den här diskussionen har mest handlat om att enzym kan förändras efter en genduplikation, men givetvis kan alla typer av proteiner förändras. I ett alldeles färskt arbete, exempelvis, har man identifierat en gen som bildar ett reglerande protein som styr tillväxten av neurala stamceller, och som sannolikt bidrar till utvecklingen av människans stora hjärna. Genen finns bara hos människor och har uppenbarligen bildats vid en ofullständig duplikation av en gen som vi delar med schimpanser och andra apor. En mutation har alltså skett samtidigt med duplikationen. När man satte in genen i neurala stamceller hos möss fick de en tydligt större hjärnbark. Den blev också veckad, något som är typiskt för människan men som inte förekommer hos möss [7]. Återigen samma mönster: duplikation => mutation => ändrad funktion.

Noter

[1] Atkins, W.M. (2014): Biological Messiness vs. Biological Genius: Mechanistic Aspects and Roles of Protein Promiscuity. J. Steroid Biochem. Mol. Biol. 151:3–11.

[2] Voordeckers, K., Brown, C.A., Vanneste, K., van der Zande, E., Voet, A., Maere, S., Verstrepen, K.J. (2012): Reconstruction of Ancestral Metabolic Enzymes Reveals Molecular Mechanisms Underlying Evolutionary Innovation through Gene Duplication. PLoS Biology 10(12): e1001446. doi:10.1371/journal.pbio.1001446

[3] Bridgham, J.T., Carroll, S.M., Thornton, J.W. (2006): Evolution of Hormone-Receptor Complexity by Molecular Exploitation. Science 312(5770):97–101.

[4] Carroll, S.M., Ortlund, E.A., Thornton, J. W. (2011): Mechanisms for the Evolution of a Derived Function in the Ancestral Glucocorticoid Receptor. PLoS Genet. 7(6): e1002117. doi:10.1371/journal.pgen.1002117

[5] Blount, Z.D., Barrick, J.E., Davidson, C.J., Lenski, R.E. (2011): Genomic Analysis of a Key Innovation in an Experimental Escherichia Coli Population. Nature 489(7417):513–518.

[6] Näsvall, J., Sun, L., Roth, J.R., Andersson, D.I. (2012): Real-Time Evolution of New Genes by Innovation, Amplification, and Divergence. Science 338(6105):384–387.

[7] Florio, M., Albert, M., Taverna, E., Namba, T., Brandi, H., Lewitus, E., Haffner, C., Sykes, A., Wong, F.K., Peters, J., Guhr, E., Klemroth, S., Prüfer, K., Kelso, J., Naumann, R., Nüsslein, I., Dahl, A., Lachmann, R., Pääbo, S., Huttner, W.B. (2015): Human-Specific Gene ARHGAP11B Promotes Basal Progenitor Amplification and Neocortex Expansion. Science 347(6229):1465–1470.

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