Fødslen af ​​et nyt protein

Et gærprotein, der er udviklet fra bunden, kan foldes til en tredimensionel form - i modsætning til den generelle forståelse af unge proteiner - ifølge ny forskning ledet af University of Arizona.

Forskere troede, at sådanne nyudviklede proteiner var igangværende værker, som ikke kunne foldes til komplekse former, som mere gamle proteiner gør.

"Denne nye undersøgelse fra vores laboratorium giver det allerførste bevis på, at et protein, der for nylig er udviklet fra bunden, faktisk kan foldes til en kompakt tredimensionel form, " sagde seniorforfatter Matthew Cordes, en UA-lektor i kemi og biokemi.

"Det, vi har opdaget, kommer ikke til at virke som et fuldstændigt udviklet biologisk molekyle. Det ligner, hvordan man skulle tro, at et nyfødt protein ville se ud - måske lidt klodset eller uklart dannet, " sagde Cordes, medlem af UA's BIO5 Institut. "Men ikke desto mindre, dette protein foldes til en tredimensionel struktur, og efter mange mål ligner det proteiner, der er udviklet for længe siden.

"Det er forbløffende, når jeg ser på det. Jeg føler virkelig, at jeg ser noget luge ud."

Nylige beviser tyder på, at nye gener kan opstå fra de ikke-kodende sektioner, eller "skrammel, "DNA og at de nye gener kunne kode for helt nye proteiner. Gener koder for proteiner, de molekyler, der virker inde i cellerne.

Medforfatter Joanna Masel sagde, "Ikke alle gener er ældgamle, og dem, der ikke er ældgamle, bliver ikke studeret meget."

Cordes er den første person, der ser på strukturen af ​​proteinet, der stammer fra et gen, der for nylig er opstået fra junk-DNA, sagde Masel, en UA-professor i økologi og evolutionsbiologi og medlem af BIO5-instituttet.

Fordi det virkede lettere at ændre et eksisterende gen end at opfinde et helt nyt, videnskabsmænd havde troet, at nye gener opstod ved at modificere dubletter af eksisterende gener.

"Historien er, at evolutionen ikke bare er en tudemand, der omarbejder det, den har - nogle gange opfinder evolutionen en helt ny funktionel, struktureret molekyle, sagde Cordes.

Teamets forskningspapir, "Foldbarhed af et naturligt De Novo Evolved Protein, " er online i journalen Struktur og forventes offentliggjort i november. Cordes' og Masels medforfattere er Dixie Bungard, Jacob Copple, Jimmy Chhun, Vlad Kumirov og Scott Foy fra UA og Jing Yan og Vicki Wysocki fra Ohio State University i Columbus.

National Institutes of Health bevilger GM104040, GM113658, ES06694, CA023074 og 1S10 RR028868-01 og et tilskud fra John Templeton Foundation finansierede forskningen.

Forskere har i mere end et årti vidst, at nogle gener ser ud til at opstå helt nye, eller de novo, fra junk-DNA.

Imidlertid, der er lidt kendt om de proteiner sådanne gener koder for, sagde Cordes, der studerer udviklingen af ​​proteinstruktur og funktion.

"Mit mål er at se, hvordan disse proteiner ser ud, " han sagde.

Cordes og hans kolleger studerede et protein, som en laboratoriestamme af bagegær fremstiller ved hjælp af et de novo-gen. Genet BSC4 og dets resulterende protein Bsc4 ser ud til at hjælpe med DNA-reparation.

Det første skridt i at studere et protein er at gøre meget ud af det. Cordes-teamet brugte en standardmetode:De indsatte BSC4-genet i E. coli-bakterier og fik bakterierne til at fungere som en proteinfremstillingsfabrik. Nogle medicinalfirmaer bruger den samme metode til at lave insulin til personer med diabetes.

Det næste trin er at rense proteinet, hvilket for Bsc4 aldrig var blevet gjort før, sagde Cordes.

"Der har været en reel mangel på folk, der renser produkterne af disse de novo gener og undersøger dem. Det er det hul, vi forsøger at udfylde, " han sagde.

Normalt, forskere krystalliserer derefter proteinet og laver en detaljeret beskrivelse af proteinets struktur ved hjælp af højopløselige billeddannelsesteknikker.

Imidlertid, babyproteinet var ikke nemt at arbejde med, sagde Cordes. Holdet kunne ikke krystallisere det.

Holdet bestemte generel information om proteinets form og struktur. BSC4-genet koder for en lille kæde af aminosyrer, eller polypeptidkæde.

I det resulterende protein, Bsc4, flere af disse kæder kommer sammen. Proteinet kan eksistere som to eller tre kæder, men også som grupper af mange kæder. At have så mange forskellige størrelser er ikke typisk, sagde Cordes.

"De fleste naturlige proteiner findes i en vis størrelse, " sagde han. "Denne kan være i grupper på fire, fem, seks, syv - det er en af ​​grundene til, at du måske kalder strukturen fuzzy eller rudimentær."

Proteinet udviser andre egenskaber af normale proteiner, inklusive foldning til standardformer såsom alfa-spiraler og beta-foldede ark. Ud over, proteinet vil udfolde sig, eller denaturering, under visse betingelser og kan derefter lokkes tilbage til sin genfoldede tilstand. Den faste hvide del af et kogt æg er denatureret æggehvideprotein.

"I mange år, folk troede, at proteiner skulle have disse elegante origami-lignende strukturer for at fungere, men det er blevet klart, at de kan have uorden, de kan have smeltede egenskaber og stadig gøre ting i en organisme, " han sagde.

Cordes karakteriserede Bsc4 som "kugleformet" og sagde, at de fleste naturlige kugleformede proteiner kun har én standardform. Han kalder proteinet "smeltet kugleformet", fordi det kan skifte mellem forskellige former.

"Proteinet menes at være involveret i DNA-reparation og kan være involveret i binding af DNA. Det kan være, at dets nuværende struktur er perfekt til, hvad det skal gøre, " han sagde.

"Ikke at være dukket op som dette herlige kunstværk gør det mere troværdigt, at disse proteinkodende gener dukker op ud af den genetiske region mellem generne, " sagde Cordes. "Jeg vil gerne vide, hvor tingene kommer fra i livet - hvordan livet skaber nyheder, hvordan evolution skaber nyhed."