Genes en pedazos, proteínas en pedazos

Un nuevo estudio dirigido por Peter Wolynes de la Universidad Rice ofrece nuevas ideas sobre la evolución de las proteínas plegables. La investigación se publicó en las Actas de la Academia Nacional de Ciencias.

Investigadores de Rice y la Universidad de Buenos Aires utilizaron la teoría del paisaje energético para distinguir entre las partes plegables y no plegables de las secuencias de proteínas. Su estudio arroja luz sobre el debate en curso sobre si las piezas de ADN que codifican solo parte de una proteína durante sus orígenes pueden plegarse por sí solas.

Los investigadores se centraron en la relación extensa entre los exones en las estructuras de proteínas y la evolución de la capacidad de plegamiento de proteínas. Destacaron la importancia de los exones, las partes del gen que codifican proteínas, y los intrones, las regiones silenciosas que se descartan durante la traducción de genes en proteínas.

“Utilizando la extensa organización genómica exón-intrón y los datos de secuencia de proteínas ahora disponibles, exploramos la conservación de los límites de los exones y evaluamos su comportamiento utilizando medidas teóricas del paisaje energético”, dijo Wolynes, profesor de ciencia de la Fundación D.R. Bullard-Welch, profesor de química, biociencias, física y astronomía, y codirector del Centro de Física Biológica Teórica (CTPB).

Cuando se descubrieron genes en pedazos en la década de 1970, se propuso inmediatamente que al dividir la secuencia, esta estructura ayudaba a construir proteínas plegables. Cuando los investigadores volvieron a examinar esto en la década de 1990, los datos existentes eran equívocos, dijo Wolynes.

El equipo ahora ha evaluado los exones como posibles módulos de plegamiento de proteínas en 38 familias de proteínas abundantes y conservadas. A lo largo de las generaciones, los exones pueden barajarse aleatoriamente a lo largo del genoma, lo que lleva a cambios significativos en los genes y la creación de nuevas proteínas. Los hallazgos indicaron desviaciones en la distribución del tamaño del exón de la desintegración exponencial, lo que sugiere que hubo una selección evolutiva.

“El plegamiento de proteínas y la evolución son fenómenos estrechamente relacionados”, dijo Ezequiel Galpern, investigador postdoctoral en la Universidad de Buenos Aires.

Las proteínas naturales son cadenas lineales de aminoácidos que generalmente se pliegan en estructuras tridimensionales compactas para realizar funciones biológicas. La secuencia específica de aminoácidos determina la estructura 3D final. Por lo tanto, la idea de que los exones se traducen en regiones de proteínas plegadas de forma independiente, o foldones, es muy atractiva.

Utilizando métodos computacionales, los investigadores midieron la probabilidad de que la cadena de aminoácidos codificada por un exón se plegara en una estructura 3D estable, similar a la proteína completa. Sus resultados mostraron que si bien no todos los exones condujeron a módulos plegables, los exones más conservados, que se encuentran consistentemente en organismos diversos, correspondían a mejores foldones.

El estudio encontró una correlación entre el plegamiento de proteínas y la evolución en ciertas familias de proteínas globulares. El plegamiento de proteínas implica que las cadenas de aminoácidos se pliegan en el espacio para realizar funciones biológicas dentro de escalas de tiempo relevantes. Esta correlación es un concepto fundamental en la ciencia de las proteínas, que se evalúa utilizando datos genómicos y funciones energéticas.

Curiosamente, la tendencia general no se mantuvo para todas las familias de proteínas, lo que sugiere que otros factores biológicos pueden influir en el plegamiento de proteínas y la evolución. El trabajo de los investigadores allana el camino para futuros estudios para comprender estos factores adicionales y su impacto en la biología evolutiva.

El equipo de investigación incluye a Carlos Bueno, investigador postdoctoral en CTPB; Hana Jaafari, estudiante graduada de física aplicada en Rice; y Diego U. Ferreiro, profesor de la Universidad de Buenos Aires.

Este estudio fue apoyado por el Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas; la Cátedra Bullard-Welch en Rice; la Universidad de Buenos Aires; el Instituto de Astrobiología de la NASA; y CTPB.