Vznikají „z ničeho“. Záhadu de novo proteinů odhaluje tým vědců z Česka a Německa
Z odpadní DNA se obvykle netvoří proteiny – ale pokud se tak stane a ujmou se, stanou se součástí buněčné proteinové výbavy. Říká se jim de novo, protože vznikají v podstatě z ničeho, úplně znova, a moc se toho o nich neví. Výzkumníci z BIOCEV a jejich němečtí kolegové v nové studii publikované v časopise Nature Ecology and Evolution popsali velký soubor těchto proteinů a napomohli rozklíčovat jinak těžko odhalitelná specifika záhadných bílkovin.
Lidský genom je spletí řetězců DNA, ve kterých se prolínají sekvence genů: ty, které kódují funkční proteiny, a ty nekódující – odpadní DNA (z angl. junk DNA), jejíž funkce není dosud dostatečně probádána, přestože tvoří většinu genomu. Díky moderním metodám vědci odhalili, že i nekódující DNA může nést informaci potřebnou pro syntézu proteinů, základních stavebních látek buněk živých organismů. Syntézu zprvu nezávaznou, pomíjivou a ryze experimentální.
Vzejde-li z odpadní DNA protein, ať už s pro buňku užitnou hodnotou nebo jako neškodný experiment, a ujme se, tzv. de novo protein se stane trvalou součástí buněčné proteinové výbavy. Zatímco běžné evoluční mechanismy pracují s již existujícím genetickým materiálem, tyto de novo sekvence začínají „od nuly” a nemusí mít zpočátku konkrétní funkci. Způsob, jakým vznikají, je dosud velkou neznámou, přestože řada těchto produktů souvisí se zásadními životními funkcemi i patologickými procesy.
Jaké jsou a jak se rodí bílkoviny „od nuly“
Tým vědců z Přírodovědecké Fakulty Karlovy Univerzity (PřF UK) a Akademie věd (AV ČR), který působí v centru BIOCEV ve Vestci u Prahy, pod vedením biochemičky Kláry Hlouchové (na úvodní fotografii) spojil síly se skupinou bioinformatika Ericha Bornberg-Bauera z Univerzity v Münsteru v Německu. Výzkumníci srovnali 1 800 kandidátních hmyzích a lidských de novo proteinů se zcela náhodně generovanými proteinovými sekvencemi. Srovnání právě takových sekvencí může odhalit, jaké vlastnosti jsou při zrodu de novo genů určující. Tato studie vychází v současném vydání prestižního časopisu Nature Ecology and Evolution.
Zatímco bioinformatické predikce biofyzikálních vlastností nerozlišují významně mezi de novo a náhodnými sekvencemi, jejich experimentální charakterizace odhalila patrné rozdíly.
De novo proteiny vykazují lepší buněčnou rozpustnost, díky níž se zřejmě mohou lépe začlenit do buněčného prostředí. „To ovšem znamená, že preferenčně jsou při zrodu de novo proteinů selektovány sekvence s vyšší strukturní neuspořádaností,“ podotýká spoluautor studie Filip Buchel, student doktorského programu PřF UK. „Vyšší obsah struktury u proteinů bez evoluční historie často souvisí s tendencí tvořit nerozpustné a pro buňky toxické agregáty.”
„To vše tedy nasvědčuje tomu, že v rané fázi vývoje de novo proteinů dochází k významné selekci na základě jejich biofyzikálních vlastností,” dodává Vyacheslav Tretyachenko, bývaly doktorský student PřF UK (nyní na postdoktorské stáži na Weizmann Institute of Science v Izraeli).
Selekce nových proteinů na základě jejich biofyzikálních vlastností je odrazem selekčních procesů z úsvitu života na Zemi, jež definovaly základní charakteristiky raných bílkovin, jak nedávno tým pod vedením Kláry Hlouchové publikoval v časopise JACS.
Rozsáhlý soubor bílkovin si vyžádal speciální metody
Vědci museli v této studii přizpůsobit tradiční metody biochemické a biofyzikální charakterizace práci s celým souborem proteinů, aby mohli srovnávat mnoho sekvencí paralelně. Jednou z klíčových metod byla hmotnostní spektroskopie, díky které bylo možné detekovat jednotlivé sekvence v analyzovaných vzorcích. „Práce na tomto projektu byla velmi vzrušující, protože nám umožnila identifikovat proteiny, které v podstatě neexistují. Takový proteomický oříšek,” dodává Petr Novák z Mikrobiologického ústavu AV ČR. Tato studie je první charakterizací velkého souboru de novo proteinů, která vstoupila za hranice ryze teoretické práce a pomáhá tak rozklíčovat jejich jinak těžko detekovatelná specifika.
Na české straně studii podpořily granty Univerzity Karlovy Primus a Grantové agentury UK.
Reference:
Brennen Heames, Filip Buchel, Margaux Aubel, Vyacheslav Tretyachenko, Dmitry Loginov, Petr Novák, Andreas Lange, Erich Bornberg-Bauer, Klára Hlouchová. (2023) Experimental characterisation of de novo proteins and their unevolved random-sequence counterparts. Nature Ecology and Evolution, DOI: 10.1038/s41559-023-02010-2
