تحقیق به رهبری موسسه بیوانفورماتیک اروپایی (EMBL-EBI) و دانشگاه واشنگتن نشان داده است که تنوع بیولوژیکی مورد نیاز برای تکامل را می توان با تغییرات در تغییرات پروتئین ایجاد کرد. این یافته‌ها که در Science منتشر شده است، بینش‌های ارزشمندی را در مورد چگونگی سازگاری گونه‌های مختلف با محیط‌های مختلف ارائه می‌دهد و می‌تواند چگونگی تکامل پاتوژن‌ها و مقاومت در برابر داروها را روشن کند.
پدرو بلترائو، رهبر گروه تحقیقاتی در EMBL-EBI می‌گوید: «این مطالعه در مورد درک چگونگی عملکرد تکامل است، که به شما می‌گوید چگونه گونه‌ها با محیط‌های متغیر در طول نسل‌ها سازگار می‌شوند."به عنوان مثال، هنگامی که انسان ها و شامپانزه ها را با هم مقایسه می کنید، آنها آشکارا متفاوت هستند، حتی اگر بخش زیادی از ترکیب ژنتیکی آنها کم و بیش یکسان باشد. وظیفه ما این است که بفهمیم تنوع چگونه ایجاد می شود، تا بتوانیم جزئیات را ببینیم. چگونه زندگی تکامل می‌یابد. این به ما کمک می‌کند تا بفهمیم گیاهان و حیوانات چگونه سازگار و تغییر می‌کنند، و چگونه سرطان‌ها یا باکتری‌ها راه خود را در برابر داروها پیدا می‌کنند."
یک سوال بیان
تحقیق در مورد محرک‌های تنوع ژنتیکی تا حد زیادی بر بیان ژن متمرکز شده است، که کنترل می‌کند چه مقدار از پروتئین معین، چه زمانی و در چه بافتی ساخته می‌شود. با این حال، محققان دریافتند که یک مکانیسم سلولی شناخته شده - مکانیزمی که نحوه بدست آوردن عملکردهای جدید پروتئین ها را کنترل می کند - نیز نقش مهمی ایفا می کند.
پروتئین ها توسط پروتئین های دیگر از طریق "اصلاحات پس از ترجمه" (PTM) کنترل می شوند. یکی از انواع PTM فسفوریلاسیون است: یک مکانیسم سریع و همه کاره تنظیم پروتئین. در طول تکامل، PTM ها را می توان از طریق جهش به دست آورد، که به پروتئین ها اجازه می دهد عملکردهای جدیدی به دست آورند، در زمان های مختلف روشن یا خاموش شوند و به مکان های مختلف سلول بروند.
مطالعات قبلی در مورد مقایسه پروتئین ها در گونه های مرتبط، جهش های بسیار کمی را نشان داده اند، بنابراین PTM ها به عنوان یک عامل اصلی در ایجاد تنوع در نظر گرفته نشده اند. در مطالعه امروز، این گروه دریافتند که تنها چند جهش در واقع برای تغییر این مکان‌های اصلاح پروتئین مورد نیاز است. به عبارت دیگر، تعداد کمی از تغییرات می تواند تأثیر زیادی بر نحوه عملکرد پروتئین ها و سلول ها داشته باشد.
بلترائو می‌گوید: «این جهش‌ها در دید آشکار پنهان بودند - ما می‌توانستیم آنها را در تمام مدت ببینیم، اما نمی‌دانستیم که می‌توانند چنین پیامدهای مهمی داشته باشند. ما اکنون آن را تنها پس از سال‌ها توسعه و اصلاح روش‌های آزمایشی جدید می‌بینیم.»
تغییر ثابت است
با استفاده از روش‌های تجربی و محاسباتی، محققان تاریخچه تکاملی مکان‌های فسفوریلاسیون - تغییراتی که می‌توانند پروتئین‌ها را کنترل کنند - در ۱۸ گونه مختلف تک سلولی بازسازی کردند. آنها تعیین کردند که این نقاط کنترل چه مدت وجود داشته اند، چه زمانی به دست آمده اند و چقدر سریع در بین گونه ها در طول میلیون ها سال تغییر کرده اند.
گروه دریافتند که بیشتر مکان‌های فسفوریلاسیون نسبتاً اخیراً در تکامل ایجاد شده‌اند، که نشان می‌دهد آنها بخشی از چیزی هستند که گونه‌ها را متفاوت می‌کنند - و سهم عمده‌ای در تنوع تکاملی دارند.
"اگر گونه ای نیاز به انطباق با محیط جدید داشته باشد، باید تنوع زیادی را در طول نسل های مختلف ایجاد کند تا تکامل مجموعه ای از گزینه ها برای انتخاب داشته باشد. یکی از راه های تحقق آن تغییر در Beltrao توضیح می دهد که بیان ژن، اما تغییرات در فسفوریلاسیون به همان اندازه موثر است.
سرطان: انتخاب کننده قفل خبره
تنوع ایجاد شده توسط PTMها یک ملاحظه مهم در مقابله با سرطان است. برخی از داروهای سرطان با مسدود کردن مسیر سیگنال دهی که به تومور اجازه رشد می دهد، تومورها را متوقف می کنند و به طور موثر روی یک "در" پروتئین قفل می کنند. اما، از طریق جهش، سرطان ها راه هایی برای ایجاد PTM های جدید و رویدادهای سیگنال دهی پیدا می کنند که به طور موثر میلیون ها کلید مختلف را تولید می کنند.بسیاری از کلیدها بی فایده خواهند بود، اما یکی از آنها در نهایت به قفل متصل می شود و تومور می تواند دوباره شروع به رشد کند.
بلترائو می‌افزاید: "یادگیری بیشتر در مورد نقش PTMs در تکامل همچنین تصویر بسیار مطمئن‌تری از نحوه ادغام و انتقال اطلاعات توسط پروتئین‌های سیگنال در داخل سلول ارائه می‌دهد." "این به نوبه خود می تواند راه های جدید هیجان انگیزی برای تحقیقات درمانی ارائه دهد."
