Eine verblüffend einfache Regel der Biochemie treibt die Evolution nutzloser Komplexität an

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Neue Studie zeigt, dass Proteine ohne Anpassung biochemisch süchtig nach komplexen Interaktionen werden.
Eine neue Studie an der University of Chicago hat gezeigt, dass sich aufwendige Proteinstrukturen über tiefe Zeit ansammeln, auch wenn sie keinem Zweck dienen, weil eine universelle biochemische Eigenschaft und der genetische Code die natürliche Selektion zwingen, sie zu erhalten.

Die Arbeit wurde am 9. Dezember 2020 in Nature veröffentlicht.

Die meisten Proteine in unseren Zellen bilden spezifische Komplexe mit anderen Proteinen, ein Prozess, der Multimerisierung genannt wird. Wie bei anderen Arten von Komplexität in der Biologie wird normalerweise angenommen, dass Multimere im Laufe der Evolution bestehen bleiben, weil sie einen funktionellen Vorteil bieten, der durch natürliche Selektion begünstigt wird.
“Wie sich Komplexität entwickelt, ist eine der großen Fragen der Evolutionsbiologie”, sagt Seniorautor Joseph Thornton, PhD, Professor für Humangenetik und Ökologie und Evolution an der University of Chicago. “Die klassische Erklärung ist, dass komplizierte Strukturen existieren müssen, weil sie dem Organismus einen funktionellen Nutzen bringen, so dass die natürliche Auslese immer höhere Komplexitätsgrade antreibt.

In einigen Fällen ist Komplexität eindeutig adaptiv, wie bei der Evolution des Auges: Komplexe Augen sehen besser als einfache.

Aber auf molekularer Ebene haben wir herausgefunden, dass es andere einfache Mechanismen gibt, die den Aufbau von Komplexität vorantreiben.”
Das Forscherteam unter der Leitung von Thornton und Georg Hochberg, Postdoktorand an der University of Chicago, untersuchte die Evolution der Multimerisierung in einer Familie von Proteinen, den sogenannten Steroidhormonrezeptoren, die sich zu Paaren (sogenannten Dimeren) zusammenfügen.
Sie benutzten eine Technik, die als “ancestral protein reconstruction” bezeichnet wird, eine Art molekulare “Zeitreise”, so Thornton, die es ihnen ermöglichte, alte Proteine im Labor nachzubauen und experimentell zu untersuchen, wie sie durch Mutationen, die vor Hunderten von Millionen Jahren stattfanden, beeinflusst wurden.
Zu ihrer Überraschung fanden sie heraus, dass die alten Proteine nicht anders funktionierten, wenn sie zu einem Dimer zusammengesetzt waren, als wenn sie sich nie zu einer Dimerisierung entwickelt hätten.

Es gab nichts Nützliches oder Vorteilhaftes an der Bildung des Komplexes.
Die Erklärung dafür, warum die dimere Form des Rezeptors seit 450 Millionen Jahren überdauert hat, stellte sich als überraschend einfach heraus. “Diese Proteine wurden allmählich süchtig nach ihrer Interaktion, obwohl es nichts Nützliches daran gibt”, erklärt Hochberg, der jetzt Gruppenleiter am Max-Planck-Institut in Marburg ist. “In den Teilen des Proteins, die die Schnittstelle bilden, an der sich die Partner gegenseitig binden, häuften sich Mutationen an, die nach der Entwicklung des Dimers tolerierbar waren, aber im Einzelzustand schädlich gewesen wären.

Dadurch wurde das Protein völlig abhängig von der dimeren Form, und es konnte nicht mehr zurückgehen. Unnötige Komplexität wurde festgeschrieben, im Grunde für immer.”
Die Forscher zeigten, dass einfache biochemische, genetische und evolutionäre Prinzipien die Verschanzung von molekularen Komplexen unausweichlich machen.

Die Gene, die für jedes Protein kodieren, sind über Generationen hinweg einem ständigen Hagel von Mutationen ausgesetzt, von denen viele die Fähigkeit des Proteins stören würden, sich zusammenzufalten und richtig zu funktionieren.

Eine Form der natürlichen Selektion, die reinigende Selektion, entfernt diese schädlichen Mutationen aus der Population.
Sobald sich ein Protein zu einem Multimer entwickelt, können die Teile, die die Schnittstelle bilden, Mutationen ansammeln, die im Einzelzustand des Proteins schädlich wären, solange sie im Multimer toleriert werden können. Die reinigende Selektion verankert dann die komplexe Form und verhindert eine Rückkehr in den Solostatus.
Die Forscher zeigten, dass der Verschanzung eine einfache und universelle Regel der Biochemie zugrunde liegt. Proteine bestehen aus Aminosäuren, die entweder wasserlöslich oder hydrophob sind, d. h. sie lösen sich leicht in Öl, aber nicht in Wasser. Normalerweise falten sich Proteine so, dass sich die wasserlöslichen Aminosäuren außen und die hydrophoben Aminosäuren innen befinden. Mutationen, die die Oberfläche eines Proteins öllöslicher machen, beeinträchtigen seine Faltung, so dass sie durch reinigende Selektion entfernt werden, wenn sie in Soloproteinen auftreten.
Wenn sich das Protein jedoch zu einem Multimer entwickelt, sind die hydrophoben Aminosäuren auf der Oberfläche des Interfaces vor Wasser verborgen und werden für die reinigende Selektion unsichtbar.

Das Multimer verschanzt sich dann, denn eine Rückkehr zum Solo-Zustand würde die nun öllösliche und schädliche Grenzfläche freilegen.
Diese “hydrophobe Ratsche” scheint universell zu sein.

Die Forscher analysierten eine riesige Datenbank von Proteinstrukturen, darunter Hunderte von Dimeren und verwandten Soloproteinen, und fanden heraus, dass die überwiegende Mehrheit der Grenzflächen so hydrophob geworden ist, dass sich die dimere Form tief verschanzt hat.
Dieser Mechanismus, der bei Tausenden von Proteinen über Hunderte von Millionen Jahren abläuft, könnte die allmähliche Anhäufung vieler nutzloser Komplexe in den Zellen vorantreiben.
“Einige Komplexe haben sicherlich wichtige Funktionen, aber selbst diese werden durch die hydrophobe Ratsche verschanzt, so dass sie schwerer zu verlieren sind, als sie es sonst wären”, sagte Hochberg. “Mit der Ratsche con

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