De voorlopers van onze hormoonreceptoren

Figuur 1: Covalente bindingen en waterstofbruggen. De eerste vergen een chemische reactie terwijl de laatste nauwelijks energie kosten. Ze bepalen de affiniteit van het hormoon voor de receptor.

Joe Thornton bestudeert al vele jaren de oorsprong en de evolutie van eiwitten, waaronder hormoonreceptoren. Hij bestudeert daarbij de sequentie van het DNA van deze receptoren van nog bestaande hedendaagse organismen en legt al deze sequenties langs elkaar. Het is dan mogelijk de mutaties terug te volgen in de tijd langs de fylogenetische boom en de oorspronkelijke sequenties af te leiden. Zijn werk bestaat vervolgens vooral uit de reconstructie middels cDNA van de voorouderlijke eiwitten. Daarmee kan hij experimenteren om te bestuderen welke mutaties verantwoordelijk zijn voor de verschillende veranderingen in functie.

Receptoren zijn eiwitten (proteïnen) en de hier beproefde hormonen zijn steroïden. De bekendste zijn oestrogeen en testosteron. Deze hormonen binden specifiek hun eiwitreceptoren waarna ze zich als complex met DNA binden om aldaar, na eventuele tussenkomst van andere transcriptiefactoren, de transcriptie te regelen. De receptoren binden hun hormonen met een bepaalde affiniteit. Een hoge affiniteit betekent dat de binding erg sterk is wat duidt op een hoge specificiteit van het hormoon voor de receptor of andersom. De sterkte van de binding wordt in veel gevallen bepaald door het aantal waterstofbruggen tussen de twee moleculen. Dit hangt op zijn beurt weer af van de sequentie van aminozuren in de eiwitketen. In figuur 1 zijn waterstofbruggen te zien.

Het blijft lastig te verklaren en aan te tonen hoe complexe systemen zich geleidelijk kunnen vormen. Darwin zelf schreef dat zijn theorie zou vallen als er complexe organen bestonden die niet door meerdere, kleine, opeenvolgende veranderingen tot stand gekomen waren. Elk afzonderlijk deel van een complex systeem heeft geen functie en er kan dus niet voor geselecteerd worden totdat het hele systeem bestaat.

Joe Thornton noemt het proces dat aan de basis staat van de toename aan complexiteit “molecular exploitation”: er ontstaan als gevolg van duplicaties nieuwe moleculen (receptoren) die interacties aangaan met oudere reeds bestaande moleculen (hormonen).

De experimenten van Joe Thornton zijn gebaseerd op de reconstructie van de uitgestorven voorouders van onze hormoonreceptoren. Je zou het kunnen zien als een Jurassic Park van prehistorische moleculen. In een van zijn eerste studies kaart hij het probleem aan van wat eerst kwam, het hormoon of de receptor. Daar bestudeert hij de oudste hormoonreceptoren die er te vinden zijn. Dit zijn receptoren voor oestrogeen geweest. Oestrogeen wordt aangemaakt als laatste stap van een pathway met als tussenstap de vorming van testosteron en progesteron (zie figuur 2). Deze hormonen bestonden dus al voordat hun receptoren zich vormden. Ze kregen pas hun rol als hormoon toebedeeld na de evolutie van hun specifieke receptoren.

Figuur 2 Aromatisch verwijst naar de aromatische ring linksonder in het oestrogeen-molecuul. De androgenen hebben geen aromatische ring.

In de laatste publicatie experimenteren Thornton en zijn medewerkers met twee voorouderlijke receptoren. De eerste is AncSR1 en is vergelijkbaar met de eerste oestrogeenreceptoren. Deze receptor is specifiek voor gearomatiseerde (zie figuur 2) steroïden zoals oestrogeen. De tweede is AncSR2 die hoge affiniteit heeft voor niet gearomatiseerde steroïden (zoals androgenen). Bij nadere analyse blijkt dat AncSR1 de gearomatiseerde ring vereist terwijl AncSR2 dit type ring afstoot. Er blijken twee aminozuren te zijn (glu41GLN en leu75MET: hoofdletters afgeleid residu; kleine letters voorouderlijk residu) die veranderd zijn. Dit zijn precies de residuen die contact hebben met de aromatische ring van het hormoon. Worden deze voorouderlijke residuen geplaatst in AncSR2 dan verkrijgt deze de capaciteit een gearomatiseerde stof (oestrogeen) te binden. Worden de afgeleide residuen geplaatst in AncSR1 dan verliest deze de mogelijkheid gearomatiseerde moleculen te binden en kan dan niet-gearomatiseerde moleculen binden (androgenen). Deze twee substituties zijn dus verantwoordelijk voor de evolutie van de androgeenreceptoren met als vertrekpunt de voorouderlijke oestrogeenreceptor. Het blijkt na nog zorgvuldiger analyse dat er subtiele veranderingen zijn op het niveau van de waterstofbruggen met als gevolg veranderingen in de energiestaat. Deze subtiele veranderingen in de biochemie van een paar aminozuren kan zodoende uitvergroot worden en veroorzaakt grote verstoringen in het biofysieke gedrag van de proteïne wat leidt tot belangrijke evolutionaire verschuivingen in functie.

De wetenschappers laten zien dat evolutie inderdaad plaatsheeft met kleine stapjes die enorme gevolgen kunnen hebben. Zonder deze hormoonreceptoren waren we nog lampreien geweest.

Uit: Columbia News, PNAS

Zie ook een voorgaand blog over de onmogelijkheid van terugwaartse evolutie naar een artikel van Thornton

Alle publicaties van Thornton zijn hier te downloaden.

h/t Rob van der Vlugt