Подработка белка (или совместное использование гена ) - это явление, с помощью которого белок может выполнять более одной функции. Проживающие белки изначально обладали единственной функцией, но в ходе эволюции приобрели дополнительные функции. Многие белки, светящиеся под луной, являются ферментами ; другие - рецепторы, ионные каналы или шапероны. Наиболее распространенная первичная функция подрабатывающих белков - ферментативный катализ, но эти ферменты приобрели второстепенные неферментативные роли. Некоторые примеры функций подрабатывающих белков, вторичных по отношению к катализу, включают передачу сигнала, регуляцию транскрипции, апоптоз, подвижность и структурную.
Подработка с белками может широко распространяться в природе. Подработка белков посредством совместного использования генов отличается от использования одного гена для генерации разных белков посредством альтернативного сплайсинга РНК, реаранжировки ДНК или посттрансляционной обработки. Это также отличается от многофункциональности белка, в котором белок имеет несколько доменов, каждый из которых выполняет свою функцию. Подработка белков путем совместного использования генов означает, что ген может приобретать и поддерживать вторую функцию без дупликации гена и без потери основной функции. Такие гены находятся под двумя или более совершенно разными селективными ограничениями.
Для выявления подрабатывающих функций в белках использовались различные методы. Обнаружение белка в неожиданных местах в клетках, типах клеток или тканях может указывать на то, что белок выполняет функцию подработки. Кроме того, гомология последовательности или структуры белка может использоваться для вывода как первичной функции, так и вторичных функций подработки белка.
Наиболее хорошо изученными примерами совместного использования генов являются кристаллины. Эти белки, когда они экспрессируются на низких уровнях во многих тканях, действуют как ферменты, но когда экспрессируются на высоких уровнях в тканях глаза, они становятся плотно упакованными и, таким образом, образуют линзы. Хотя признание совместного использования генов произошло сравнительно недавно - этот термин был придуман в 1988 году, после того как кристаллины у кур и уток были обнаружены идентичными отдельно идентифицированным ферментам - недавние исследования обнаружили множество примеров во всем живом мире. Иорам Пятигорски предположил, что многие или все белки в некоторой степени обладают общими генами, и что совместное использование генов является ключевым аспектом молекулярной эволюции. Гены, кодирующие кристаллины, должны поддерживать последовательность для каталитической функции и функции поддержания прозрачности.
Несоответствующий подработка является фактором, способствующим некоторым генетическим заболеваниям, а подработка обеспечивает возможный механизм, с помощью которого бактерии могут стать устойчивыми к антибиотикам.
Первое наблюдение подрабатывающего белка было сделано в конец 1980-х годов Джорама Пятигорского и Грэма Вистоу во время их исследования на ферменты кристаллин. Пятигорский определил, что сохранение и дисперсия кристаллов хрусталика происходит из-за других функций подработки вне линзы. Первоначально Пятигорский называл эти белки «белками, разделяющими гены», но разговорное описание подработка впоследствии было применено к белкам Констанс Джеффри в 1999 году, чтобы выявить сходство между многозадачными белками и людьми, которые работают на двух работах. Фраза «совместное использование гена» неоднозначна, поскольку она также используется для описания горизонтального переноса генов, поэтому фраза «совместное использование белка» стала предпочтительным описанием белков с более чем одной функцией.
Считается, что подрабатывающие белки возникли в результате эволюции, благодаря которой однофункциональные белки получили способность выполнять множество функций. При изменениях большая часть неиспользованного пространства белка может обеспечить новые функции. Многие подрабатывающие белки являются результатом слияния двух генов с одной функцией. В качестве альтернативы один ген может приобретать вторую функцию, поскольку активный сайт кодируемого белка обычно невелик по сравнению с общим размером белка, оставляя значительное пространство для размещения второго функционального сайта. В третьей альтернативе один и тот же активный сайт может приобретать вторую функцию через мутации активного сайта.
Развитие подрабатывающих белков может быть эволюционно благоприятным для организма, поскольку один белок может выполнять работу нескольких белков, сохраняя аминокислоты и энергию, необходимую для синтеза этих белков. Однако не существует общепризнанной теории, объясняющей, почему возникли белки с множеством ролей. Хотя использование одного белка для выполнения нескольких ролей кажется выгодным, поскольку он сохраняет небольшой размер генома, мы можем сделать вывод, что это, вероятно, не причина для подработки из-за большого количества некодирующей ДНК.
Многие белки катализируют химическую реакцию. Другие белки выполняют структурные, транспортные или сигнальные роли. Кроме того, многочисленные белки обладают способностью агрегировать в супрамолекулярные сборки. Например, рибосома состоит из 90 белков и РНК.
. Ряд известных в настоящее время подрабатывающих белков эволюционно получены из высоко консервативных ферментов, также называемых древними ферменты. Часто предполагается, что эти ферменты развили функции подработки. Поскольку высококонсервативные белки присутствуют во многих различных организмах, это увеличивает вероятность того, что у них будут развиваться вторичные совместные функции. Большая часть ферментов, участвующих в гликолизе, древнем универсальном метаболическом пути, проявляет подрабатывающее поведение. Кроме того, было высказано предположение, что до 7 из 10 белков, участвующих в гликолизе, и 7 из 8 ферментов цикла трикарбоновых кислот проявляют лунное поведение.
Примером подрабатывающего фермента является пируваткарбоксилаза.. Этот фермент катализирует карбоксилирование пирувата в оксалоацетат, тем самым восполняя цикл трикарбоновой кислоты. Удивительно, но у таких видов дрожжей, как H. polymorpha и P. pastoris, пируваткарбилаза также важна для правильного нацеливания и сборки пероксисомального белка алкогольоксидазы (AO). АО, первый фермент метаболизма метанола, представляет собой гомооктамерный флавоэнзим. В клетках дикого типа этот фермент присутствует в виде ферментативно активных октамеров АО в пероксисомном матриксе . Однако в клетках, лишенных пируваткарбоксилазы, мономеры АО накапливаются в цитозоле, что указывает на то, что пируваткарбоксилаза выполняет вторую полностью несвязанную функцию в сборке и импорте. Функция импорта / сборки АО полностью не зависит от ферментативной активности пируваткарбоксилазы, поскольку могут быть введены аминокислотные замены, которые полностью инактивируют ферментативную активность пируваткарбоксилазы, не влияя на ее функцию в сборке и импорте АО. Напротив, известны мутации, которые блокируют функцию этого фермента по импорту и сборке АО, но не влияют на ферментативную активность белка.
E. coli антиоксидант тиоредоксин белок является другим примером подрабатывающего белка. После инфицирования бактериофагом T7 тиоредоксин E. coli образует комплекс с ДНК-полимеразой T7, что приводит к усиленной репликации ДНК T7, что является решающим шагом для успешного инфицирования T7. Тиоредоксин связывается с петлей ДНК-полимеразы Т7, чтобы более прочно связываться с ДНК. Антиоксидантная функция тиоредоксина полностью автономна и полностью независима от репликации ДНК Т7, в которой белок, скорее всего, выполняет функциональную роль.
ADT2 и ADT5 - еще один пример подрабатывающих белков, обнаруженных в растениях. Оба эти белка играют роль в биосинтезе фенилаланина, как и все другие ADT. Однако ADT2 вместе с FtsZ необходим для деления хлоропластов, а ADT5 транспортируется стромулами в ядро.
Царство | Белок | Организм | Функция | |
---|---|---|---|---|
первичный | подработка | |||
Животное | ||||
Аконитаза | H. sapiens | фермент цикла TCA | гомеостаз железа | |
ATF2 | H. sapiens | Фактор транскрипции | Ответ на повреждение ДНК | |
Клатрин | H. sapiens | Мембранный трафик | Стабильность митотического веретена | |
Кристаллины | Разные | Структурный белок линзы | Различный фермент | |
Цитохром c | Различный | Энергетический метаболизм | Апоптоз | |
DLD | H. sapiens | Энергетический обмен | Протеаза | |
ERK2 | H. sapiens | MAP-киназа | Транскрипционный репрессор | |
ESCRT -II комплекс | D. melanogaster | Сортировка эндосомных белков | Локализация бикоидной мРНК | |
STAT3 | M. musculus | Фактор транскрипции | Электронно-транспортная цепь | |
Гистон H3 | X. laevis | Упаковка ДНК | Медьредуктаза | |
Растение | ||||
Гексокиназа | A. thaliana | метаболизм глюкозы | передача сигналов глюкозы / контроль гибели клеток | |
пресенилин | P. patens | γ-секретаза | Цистоскелетная функция | |
Грибок | ||||
Аконитаза | S. cerevisiae | Фермент цикла ТСА | стабильность мтДНК | |
Альдолаза | S. cerevisiae | Гликолитический фермент | Сборка V-АТФазы | |
S. cerevisiae | Биосинтез аргинина | Транскрипционный контроль | ||
Энолаза | S. cerevisiae | Гликолитический фермент |
| |
Галактокиназа | K. lactis | Фермент катаболизма галактозы | Индукция генов галактозы | |
S. cerevisiae | Детерминанта галотолерантности | Биосинтез коэнзима А | ||
HSP60 | S. cerevisiae | Митохондриальный шаперон | Стабилизирующая активная ДНК ori's | |
Фосфофруктокиназа | P. pastoris | Гликолитический фермент | Пероксисомы аутофагии | |
Пируваткарбоксилаза | H. polymorpha | анаплеротический фермент | Сборка алкогольоксидазы | |
S. cerevisiae | Детерминанта галотолерантности | Биосинтез кофермента А | ||
Прокариоты | ||||
Аконитаза | M. tuberculosis | Фермент цикла TCA | Белок, чувствительный к железу | |
CYP170A1 | S. coelicolor | Альбафлавенон-синтаза | Терпен-синтаза | |
Энолаза | S. pneumoniae | гликолитический фермент | Связывание плазминогена | |
GroEL | E. aerogenes | шаперон | токсин насекомых | |
глутаматрацемаза (MurI) | E. coli | биосинтез клеточной стенки | ингибирование гиразы | |
тиоредоксин | E. coli | Антиоксидант | субъединица ДНК-полимеразы T7 | |
Protist | ||||
Альдолаза | P. vivax | Гликолитический фермент | Инвазия клеток-хозяев |
Во многих случаях функциональность белка зависит не только от его структуры, но и от его местоположения. Например, один белок может выполнять одну функцию при обнаружении в цитоплазме клетки, другую функцию при взаимодействии с мембраной и, тем не менее, третью функцию, если он выводится из клетки. Это свойство подрабатывающих белков известно как «дифференциальная локализация». Например, при более высоких температурах DegP (HtrA ) будет функционировать как протеаза за счет направленной деградации белков, а при более низких температурах как шаперон, помогая не -ковалентное сворачивание или разворачивание, а также сборка или разборка других макромолекулярных структур. Более того, подрабатывающие белки могут проявлять различное поведение не только в результате своего местоположения в клетке, но также из-за типа клетки, в которой этот белок экспрессируется. Многофункциональность также может быть следствием дифференциальных посттрансляционных модификаций (ПТМ). В случае гликолитического фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH ) было показано, что изменения в PTM связаны с многофункциональностью более высокого порядка.
Другие методы, с помощью которых белки могут быть использованы. лунный свет осуществляется путем изменения их олигомерного состояния, изменения концентрации белкового лиганда или субстрата, использования альтернативных сайтов связывания или, наконец, посредством фосфорилирования. Примером белка, который проявляет разную функцию в разных олигомерных состояниях, является пируваткиназа, которая проявляет метаболическую активность как тетрамер и тироидный гормон -связывающую активность как мономер. Изменения концентраций лигандов или субстратов могут вызвать переключение функции белка. Например, в присутствии высоких концентраций железа аконитаза действует как фермент, тогда как при низкой концентрации железа аконитаза действует как белок, связывающий железо-чувствительный элемент (IREBP), для увеличения поглощение железа. Белки также могут выполнять отдельные функции за счет использования альтернативных сайтов связывания, которые выполняют разные задачи. Примером этого является церулоплазмин, белок, который действует как оксидаза в метаболизме меди и подрабатывает медь-независимой глутатионпероксидазой. Наконец, фосфорилирование может иногда вызывать переключение функции подрабатывающего белка. Например, фосфорилирование фосфоглюкозоизомеразы (PGI) по Ser-185 протеинкиназой CK2 заставляет ее перестать функционировать как фермент, сохраняя при этом свою функцию аутокринной фактор подвижности. Следовательно, когда происходит мутация, которая инактивирует функцию подрабатывающих белков, другие функции не обязательно затрагиваются.
Кристаллические структуры нескольких подрабатывающих белков, таких как I-AniI самонаводящаяся эндонуклеаза Были определены / матураза и фактор транскрипции PutA пролиндегидрогеназы / . Анализ этих кристаллических структур продемонстрировал, что подрабатывающие белки могут либо выполнять обе функции одновременно, либо посредством конформационных изменений чередоваться между двумя состояниями, каждое из которых может выполнять отдельную функцию. Например, белок DegP играет роль в протеолизе при более высоких температурах и участвует в функциях рефолдинга при более низких температурах. Наконец, эти кристаллические структуры показали, что вторая функция может отрицательно влиять на первую функцию в некоторых подрабатывающих белках. Как видно на примере ƞ-кристаллина, вторая функция белка может изменять структуру, уменьшая гибкость, что, в свою очередь, может несколько ухудшить ферментативную активность.
Обычно использовались «лунные» белки. идентифицированы случайно, потому что нет четкой процедуры для определения вторичных подработок. Несмотря на такие трудности, количество обнаруженных подрабатывающих белков стремительно растет. Более того, белки-подработки, по-видимому, в изобилии во всех царствах жизни.
Для определения функции белка, включая вторичные функции подработки, использовались различные методы. Например, распределение белка в тканях, клетках или субклетках может указывать на функцию. ПЦР в реальном времени используется для количественного определения мРНК и, следовательно, для вывода о наличии или отсутствии конкретного белка, который кодируется мРНК в разных типах клеток. В качестве альтернативы можно использовать иммуногистохимию или масс-спектрометрию для прямого обнаружения присутствия белков и определения, в каких субклеточных местах, типах клеток и тканях экспрессируется конкретный белок.
Масс-спектрометрия может использоваться для обнаружения белков на основе их отношения массы к заряду. Из-за альтернативного сплайсинга и посттрансляционной модификации идентификация белков на основании только массы исходного иона очень затруднительна. Однако тандемная масс-спектрометрия, в которой каждый из родительских пиков, в свою очередь, фрагментирован, может использоваться для однозначной идентификации белков. Следовательно, тандемная масс-спектрометрия является одним из инструментов, используемых в протеомике для идентификации присутствия белков в разных типах клеток или субклеточных местах. Хотя присутствие «подрабатывающего» белка в неожиданном месте может усложнить рутинный анализ, в то же время обнаружение белка в неожиданных мультибелковых комплексах или местах предполагает, что белок может выполнять «подрабатывающую» функцию. Кроме того, масс-спектрометрия может использоваться для определения того, имеет ли белок высокие уровни экспрессии, которые не коррелируют с измеренной метаболической активностью фермента. Эти уровни экспрессии могут означать, что белок выполняет функцию, отличную от известной ранее.
Структура белка также может помочь определить его функции. Структура белка, в свою очередь, может быть выяснена различными методами, включая рентгеновскую кристаллографию или ЯМР. Интерферометрия с двойной поляризацией может использоваться для измерения изменений в структуре белка, которые также могут указывать на функцию белка. Наконец, применение подходов системной биологии, таких как интерактомика, дает ключ к разгадке функции белков в зависимости от того, с чем они взаимодействуют.
В случае гликолитического фермента глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназа (GAPDH), помимо большого количества альтернативных функций, он также выполняет Было замечено, что он может быть задействован в одной и той же функции несколькими способами (многофункциональность в пределах многофункциональности). Например, в своей роли в поддержании гомеостаза клеточного железа GAPDH может импортировать или вытеснять железо из клеток. Более того, в случае активности импорта железа, он может передавать в клетки голо-трансферрин, а также родственную молекулу лактоферрин множеством путей.
В случае кристаллинов гены должны поддерживать последовательности для каталитической функции и функции поддержания прозрачности. Обильные кристаллины хрусталика обычно рассматриваются как статические белки, выполняющие строго структурную роль в прозрачности и катаракте. Однако недавние исследования показали, что кристаллины хрусталика намного более разнообразны, чем считалось ранее, и что многие из них связаны или идентичны метаболическим ферментам и стрессовым белкам, обнаруженным во многих тканях. В отличие от других белков, выполняющих узкоспециализированные задачи, таких как глобин или родопсин, кристаллины очень разнообразны и обнаруживают многочисленные различия между видами. По существу, все хрусталики позвоночных содержат представителей α- и β / γ-кристаллинов, «вездесущих кристаллинов», которые сами по себе являются гетерогенными, и лишь некоторые виды или отдельные таксономические группы используют совершенно разные белки в качестве кристаллинов хрусталика. Этот парадокс, заключающийся в том, что кристаллины очень консервативны в последовательности, но при этом чрезвычайно разнообразны по количеству и распределению, показывает, что многие кристаллины выполняют жизненно важные функции вне хрусталика и роговицы, и эта многофункциональность кристаллинов достигается лунным светом.
Рекрутирование кристаллина может происходить из-за изменений в регуляции гена, что приводит к высокой экспрессии хрусталика. Одним из таких примеров является глутатион-S-трансфераза / S11-кристаллин, который был специализирован для экспрессии в хрусталике путем изменения регуляции генов и дупликации гена. Тот факт, что сходные транскрипционные факторы, такие как Pax-6 и рецепторы ретиноевой кислоты, регулируют различные кристаллические гены, предполагает, что специфическая для хрусталика экспрессия играет решающую роль в привлечении многофункционального белка в качестве кристаллинов. Рекрутирование кристаллинов происходило как с дупликацией гена, так и без нее, и тандемная дупликация гена имела место среди некоторых кристаллинов, причем один из дубликатов специализируется на экспрессии в хрусталике. Двумя примерами являются вездесущие α –кристаллины и птичьи δ –кристаллины.
α-кристаллины, которые способствовали открытию кристаллинов в качестве заимствованных белков, постоянно подтверждали теорию генов. обмен, а также помог очертить механизмы, используемые для обмена генами. Есть два гена α-кристаллина (αA и αB), которые примерно на 55% идентичны по аминокислотной последовательности. Исследования экспрессии в клетках без хрусталика показали, что αB-кристаллин, помимо функционального белка хрусталика, является функциональным малым белком теплового шока. αB-кристаллин индуцируется теплом и другими физиологическими стрессами, и он может защитить клетки от повышенных температур и гипертонического стресса. αB-кристаллин также сверхэкспрессируется при многих патологиях, включая нейродегенеративные заболевания, фибробласты пациентов с синдромом Вернера с преждевременным старением и аномалиями роста. Помимо сверхэкспрессии в ненормальных условиях, αB-кристаллин конститутивно экспрессируется в сердце, скелетных мышцах, почках, легких и многих других тканях. В отличие от αB-кристаллина, за исключением низкого уровня экспрессии в тимусе, селезенке и сетчатке, αA-кристаллин является высокоспециализированным для экспрессии в хрусталике и не индуцируется стрессом. Однако, как и αB-кристаллин, он также может действовать как молекулярный шаперон и защищать от теплового стресса.
β / γ-кристаллины отличаются от α-кристаллинов тем, что они представляют собой большое мультигенное семейство. Другие белки, такие как оболочка бактериальных спор, белок цисты слизистой плесени и белок, специфичный для дифференцировки эпидермиса, содержат те же самые греческие ключевые мотивы и находятся в суперсемействе β / γ кристаллинов. Эта взаимосвязь поддерживает идею, что β / γ-кристаллины рекрутируются с помощью механизма совместного использования генов. Однако, за исключением нескольких сообщений, нерефракционная функция β / γ-кристаллина еще не обнаружена.
Аналогичны линзе, роговица представляет собой прозрачную бессосудистую ткань, происходящую из эктодермы, которая отвечает за фокусировку света на сетчатке. Однако, в отличие от линзы, роговица зависит от границы раздела воздушных ячеек и ее кривизны для рефракции. Ранние иммунологические исследования показали, что BCP 54 составляет 20-40% от общего растворимого белка роговицы крупного рогатого скота. Последующие исследования показали, что BCP 54 представляет собой ALDH3, цитозольный фермент, индуцируемый опухолью и ксенобиотиками, обнаруженный у человека, крысы и других млекопитающих.
Хотя очевидно, что совместное использование генов привело к тому, что многие кристаллины хрусталика являются многофункциональными белками, все еще неясно, в какой степени кристаллины используют свои неотражающие свойства в хрусталике или на каком основании они были выбраны. Α-кристаллины представляют собой убедительный аргумент в пользу кристаллина хрусталика, используя его нерефракционную способность внутри хрусталика для предотвращения агрегации белков при различных стрессах окружающей среды и для защиты от инактивации ферментов посттрансляционными модификациями, такими как гликирование. Α-кристаллины также могут играть функциональную роль в стабильности и ремоделировании цитоскелета во время дифференцировки волокон клеток в хрусталике. Предполагается, что в роговице ALDH3 отвечает за поглощение УФ-B света.
Основано на сходстве между хрусталиком и роговицей, например изобилующие водорастворимыми ферментами, происходящие из эктодермы, хрусталик и роговица, как полагают, совместно эволюционировали как «единица рефракции». Совместное использование генов позволило бы максимизировать передачу света и преломление сетчатки этим блоком преломления. Исследования показали, что многие водорастворимые ферменты / белки, экспрессируемые роговицей, идентичны таксон-специфическим кристаллинам хрусталика, таким как ALDH1A1 / η-кристаллин, α-енолаза / τ-кристаллин и молочная дегидрогеназа / -кристаллин. Кроме того, эпителий роговицы ануран, который может трансдифференцироваться с целью регенерации хрусталика, обильно экспрессирует вездесущие кристаллины хрусталика, α, β и γ, в дополнение к таксон-специфическим кристаллин α-енолазе / τ-кристаллину. В целом, сходство экспрессии этих белков в роговице и хрусталике, как по количеству, так и по таксон-специфичности, поддерживает идею совместной эволюции хрусталика и роговицы за счет совместного использования генов.
Совместное использование генов связано с несколькими концепциями в генетике, эволюции и молекулярной биологии, но отличается от них. Совместное использование гена влечет за собой множественные эффекты одного и того же гена, но в отличие от плейотропии, оно обязательно включает в себя отдельные функции на молекулярном уровне. Ген может проявлять плейотропию, когда функция одного фермента влияет на несколько фенотипических признаков ; мутации общего гена потенциально могут повлиять только на один признак. Дупликация гена с последующей дифференциальной мутацией - это еще один феномен, который считается ключевым элементом в эволюции функции белков, но при совместном использовании генов не происходит расхождения в последовательности генов, когда белки берут на себя новые функции; отдельный полипептид берет на себя новые роли, сохраняя при этом старые. Альтернативный сплайсинг может привести к образованию множества полипептидов (с множеством функций) из одного гена, но по определению совместное использование гена включает в себя множественные функции одного полипептида.
Множественная роль подрабатывающих белков усложняет определение фенотипа из генотипа, затрудняя изучение наследственных метаболических нарушений.
Сложные фенотипы нескольких расстройств подозревается, что это вызвано участием подрабатывающих белков. Белок GAPDH имеет по меньшей мере 11 задокументированных функций, одна из которых включает апоптоз. Чрезмерный апоптоз участвует во многих нейродегенеративных заболеваниях, таких как болезнь Хантингтона, болезнь Альцгеймера и болезнь Паркинсона, а также при ишемии головного мозга. В одном случае GAPDH был обнаружен в дегенерированных нейронах людей, страдающих болезнью Альцгеймера.
Хотя нет достаточных доказательств для однозначных выводов, есть хорошо задокументированные примеры подрабатывающих белков, которые играют роль в заболевании. Одно из таких заболеваний - туберкулез. Один подрабатывающий белок в M. tuberculosis выполняет функцию, которая противодействует действию антибиотиков. В частности, бактерия приобретает устойчивость к антибиотикам против ципрофлоксацина в результате сверхэкспрессии глутаматрацемазы in vivo. Было показано, что GAPDH, локализованный на поверхности патогенных микобактерий, захватывает и транспортирует трансферрин белка-переносчика железа млекопитающих в клетки, что приводит к усвоению железа патогеном.