Forskere udvikler ny teori om molekylær evolution

Forskere fra University of Colorado Anschutz Medical Campus og University College London har udviklet en ny teori om molekylær evolution, giver indsigt i, hvordan gener fungerer, hvordan hastighederne for evolutionær divergens kan forudsiges, og hvordan skadelige mutationer opstår på et grundlæggende niveau.

"Molekyler er grundlaget for alt liv, og vi ønskede at finde ud af, hvorfor molekyler udvikler sig, som de gør, " sagde undersøgelsens medforfatter David Pollock, PhD, professor i biokemi og molekylær genetik ved CU School of Medicine.

Pollock og forfatterkollegaen Richard Goldstein, Ph.D., professor i infektion og immunitet ved University College London, offentliggjorde undersøgelsen 23. oktober, 2017 i bladet Naturens økologi og evolution .

Deres teori om evolutionsmekanik transformerer udviklende molekylære systemer til en ramme, hvor den statistiske mekaniks værktøjer kan anvendes, åbne et nyt vindue til, hvordan proteinudvikling fungerer.

"Tilgangen hviler på at forstå proteiner som integrerede systemer, " sagde Goldstein. "Alt for ofte ignorerer vi interaktioner mellem forskellige dele af et protein, men vi ved, at ændringer i en del af proteinet påvirker efterfølgende ændringer i andre dele. Det viser sig, at dette er virkelig vigtigt for at forstå, hvorfor disse molekyler udvikler sig, som de gør."

Proteiner ændrer sig konstant, efterhånden som mutationer bliver fikseret eller elimineret afhængigt af proteinstrukturen, funktion og stabilitet. Dette afhænger af aminosyreinteraktioner i hele proteinet, der forårsager evolution på et sted for at ændre chancen for evolution på andre steder.

Forskerne opdagede, at de kunne forudsige hastigheder af proteinudvikling baseret på deres biokemiske egenskaber.

"Dette var en rigtig overraskelse, " sagde Pollock. "Vores teori tegner sig for velkendte populationsgenetiske effekter såsom selektionsstyrke og effektiv populationsstørrelse, men de falder ud af de endelige ligninger, der forudsiger hastigheden af ​​molekylær evolution."

Årevis, forskere er stødt på problemer med standardmodeller for molekylær evolution, der bruges til at studere de evolutionære forhold mellem arter. Dette førte til vanskeligheder med at rekonstruere vigtige evolutionære begivenheder i forfædres organismer.

Disse mønstre af molekylær konvergens viste sig at ændre sig regelmæssigt over evolutionær tid på måder, der indikerede konstant fluktuerende begrænsninger i forskellige dele af proteiner.

"Dette vender om den sædvanlige idé om, at aminosyrerne vil tilpasse sig kravene til resten af ​​proteinet, " sagde Goldstein. "Men vi kunne ikke forklare præcis, hvorfor dette skete, eller om der var nogen regelmæssighed i processen."

Men når først systemet blev placeret i en statistisk mekanikramme, omfanget af aminosyreforskansning blev set som central for forståelsen af ​​hastigheder for evolutionær divergens.

Forskerne sagde, at styrken af ​​selektion i proteinudvikling er afbalanceret af foldningssekvensentropien, antallet af sekvenser, der giver et protein med en given grad af stabilitet.

"Vi kan godt lide at tænke på de andre aminosyrer som en flok børn, der hopper ned på en memoryskummadras, mens du prøver at gå på den, " sagde Pollock. "Det meste af tiden er dine fødder sunket ned i madrassen, og du kan ikke træde frem, men en gang imellem vil børnene skabe en bule i madrassen, der giver dig mulighed for at træde frem."