Op zoek naar de klepel

bij dezen en genen

Tag archief: proteine

Optimalisatie en selectie van ‘the fittest’

In snelgroeiende organismen als bacteriën en gist, kan er een verschil in ‘fitness’ gemeten worden door het vervangen van codons door een corresponderend synoniem codon. Vrijwel alle codons hebben synoniemen. Een codon, dat bestaat uit een triplet van DNA, codeert voor een aminozuur, de bouwsteen van proteïnen.

amino-acid-table-singlet-code

 

Elk aminozuur wordt gecodificeerd door meerder tripletten omdat de code redundant is. Er zijn namelijk 4^3 mogelijke tripletten of codes, aangezien het DNA uit vier verschillende ‘letters’ bestaat. Dit geeft 64 mogelijke codons terwijl er slechts 20 aminozuren zijn. Gemiddeld heeft elk aminozuur dus ongeveer 3 codons waardoor het gecodeerd wordt. In werkelijkheid worden sommige aminozuren door wel zes codons gecodeerd en sommige door slechts twee. Dit betekent dat een aminozuur als Glycine, dat gecodeerd wordt door vier codons (GGA, GGT, GGC en GGG), vier synoniemen heeft. In principe coderen ze alle vier voor Glycine, maar in de praktijk, althans in de bestudeerde micro-organismen, blijkt er vaak een codon gebruikt te worden. Zodra deze codons in het laboratorium vervangen worden door een synoniem, verlaagt dat de fitness van het organisme.

 

Nu opperen de onderzoekers dat het eerder de snelheid is waarmee de eiwitten gevormd worden die bepalend is voor de fitness. Deze snelheid kan dalen door een indirect mechanisme, waarbij de synoniemen de elongatie van het eiwit vertragen, en de ribosomen daardoor langer op de mRNAs blijven zitten. Er zijn daardoor minder vrije ribosomen beschikbaar en de gehele eiwitproductie wordt vertraagd.

Een andere mogelijkheid zou kunnen zijn dat er meer van een bepaald tRNA is dan van zijn synonieme tRNAs waardoor het eiwit sneller en efficiënter aangemaakt wordt. Een voorbeeld is opnieuw Glycine. Stel dat het GGT het optimale synoniem vormt, dan zou het kunnen zijn dat het tRNA dat Glycine aandraagt met het anticodon CCA het meest overvloedig aanwezig is. Zodra dit codon vervangen wordt door een synoniem, bijvoorbeel GGG, dan wordt de efficiëntie van eiwitproductie plotseling beperkt door een schaars tRNA met anticodon CCC en vertraagt de eiwitproductie. De snelheid van eiwitproductie is rechtevenredig met het selectieve nadeel van de populatie met een synoniem melden de auteurs.

salmonella

Salmonella

Het verschil in fitness voor de vervanging van een codon door een synoniem kan 0,01 procent per generatie bedragen in Salmonella meten de onderzoekers. Dit zou aantonen dat het in de natuur gebruikte codon het optimale codon is. De bestudeerde genen waren tufA en tufB, beide betrokken bij de productie van een elongatiefactor.

Dit soort studies laten zien dat in een cel de codons niet willekeurig zijn, dat er een zogenaamde synonymous codon usage bias bestaat. Deze studie kwantificeert daarbij ook het selectiepotentiaal van de optimalisatie van een codon.

Wat ik niet goed begrijp is waarom er voor deze studie het gen voor elongation factor bestudeerd is, een gen dat tenslotte directe consequenties heeft voor de snelheid van eiwit productie. Waarom is er niet gekozen voor een gen dat een eiwit codificeert dat niet direct betrokken is bij de translatie. In dit geval bestaan er namelijk niet alleen de ‘negatieve’ gevolgen van de synonymous codon usage bias, maar ook de verlaging van de productie van een eiwit door effecten op de productie van de elongation factor dat direct van belang is voor de eiwitproductie.

h/t Rob van der Vlugt

Uit:

Brandis G, Hughes D (2016) The Selective Advantage of Synonymous Codon Usage Bias in Salmonella. PLoS Genet 12(3): e1005926. doi:10.1371/journal.pgen.1005926

ScienceDaily

Terugwaartse evolutie

Een onderzoeksteam aan de Universiteit van Oregon laat zien dat moleculaire evolutie niet teruggedraaid kan worden. Ze onderzochten twee receptors voor cortisol; een voorouderlijke versie van zo’n 400 miljoen jaar geleden en een modernere versie die gedurende de daaropvolgende 40 miljoen jaar evolueerde. De mutaties, die de huidige versie zijn specifieke taak verschaften, werden gevolgd door ‘permissieve’ mutaties, die van geen belang zijn voor de functie van de receptor, maar die wel verhinderden om de huidige receptor zijn voorouderlijke functie terug te geven.

Er bestaat veel discussie rond de vraag of evolutie wel dan niet omkeerbaar zou zijn. Er wordt bijvoorbeeld aangenomen dat walvissen en dolfijnen niet meer terug kunnen naar het gebruik van kiewen; hun evolutionaire weg is te lang geweest om dit mogelijk te maken. Tot nu toe is het nooit mogelijk geweest de (on)omkeerbarheid van de evolutie te toetsen. De onderzoekers bestudeerden daartoe de structuur van een enkel eiwit: de glucocorticoidreceptor (GR) die zich bindt aan het hormoon cortisol, een stresshormoon dat o.a. belangrijk is voor het functioneren van het afweersysteem. GR is een eiwit en dus opgebouwd uit aminozuren. Door de volgorde van deze aminozuren te vergelijken in verschillende huidige diersoorten, zijn de onderzoekers erin geslaagd een ‘stamboom’ van dit eiwit te maken en de voorouderlijke vorm te reconstrueren.

protein structure
Van het internet: protein structure

Het blijkt dat de GR zo’n 450 miljoen jaar geleden (toen de kraakbeenvissen zoals haaien zich afsplitsten van de beenvissen) zowel affiniteit had voor cortisol als aldosterone, een ander hormoon. Zo’n 40 miljoen jaar later (toen de eerste viervoeters aan land gingen), werd deze receptor specifiek voor cortisol alleen.

Gedurende die 40 miljoen jaar zijn er 37 aminozuren veranderd (door mutatie). Slechts twee veranderingen (de X mutaties) waren nodig om de functie te veranderen ofwel om specifiek te worden voor cortisol: de één zorgde dat de proteïne (het eiwit GR) zich vouwde, waardoor het zijn affiniteit voor beide hormonen verloor, en de tweede zorgde ervoor dat de receptor specifiek werd voor cortisol alleen. De onderzoekers vroegen zich af of het mogelijk was de latere vorm van GR terug te brengen in de voorouderlijke vorm waarin het zowel cortisol als aldosterone kan herkennen, door de mutaties van deze twee aminozuren terug te draaien. Ze melden dat het niet mogelijk was de ancestrale functie terug te krijgen en dat bovendien de receptor geen enkel hormoon meer herkende.

Het blijkt nu dat er van de 37 mutaties vijf zijn die zich na de twee eerder genoemde (X-mutaties) voordeden; deze waren willekeurig en hadden geen effect op de verandering in functie van de proteïne. Zodra de onderzoekers probeerden de twee hoofdmutaties terug te draaien, bleken deze vijf willekeurige mutaties verantwoordelijk voor het in elkaar storten van de structuur van de proteïne. Eerst zouden dus deze vijf mutaties omgekeerd moeten worden, maar in de werkelijke wereld bestaat er geen selectieve druk om deze mutaties terug te draaien; ze hebben immers geen effect op welk hormoon de proteïne herkent en dus geen waarde voor het functioneren van de receptor. Op neutrale mutaties wordt geen evolutionaire druk uitgeoefend.

Bronnen: New Scientist
Nu.nl
ScienceDaily

Zwervende gedachten

Een filosoof over argumentatie, biologie, handelingstheorie en wat hem verder invalt

Jonas Bruyneel

Literatuur/Journalistiek/Muziek

mjusicamanti.wordpress.com/

per amanti della vera musica

SangueVivo

Ancora solo un battito in più

Microplastics

INTERREG MICRO PROJECT

Scientia Salon

An archived blog about science & philosophy, by Massimo Pigliucci

Infinite forme bellissime e meravigliose

si sono evolute e continuano a evolversi

Vita da simbionte

perché collaborare è talvolta meglio che combattere

Meneer Opinie

Altijd een mening, maar niet altijd gehinderd door kennis van zaken

The Cambrian Mammal

An evo-devo geek's scientific meanderings

Evolutie blog

bij dezen en genen

The Finch and Pea

The Public House for Science...

voelsprieten

* wonder van het alledaagse *

the aphid room

All about aphids... not simply bugs|

kuifjesimon

Just another WordPress.com site

The Amazing Comics Men

Comics by Dutch cartoonists Jan the Stripman & Wim the Mysterious Helpman

Barbara Jansma

Prenten, spotprenten en schilderijen

%d bloggers liken dit: