إعادة إحياء البروتينات المنقرضة لإعادة بناء تطور الهيموغلوبين الفقاري

يعتمد بروتين الهيموغلوبين متعدد الوحدات الفرعية على التفاعلات المعقدة بين مكوناته لتعمل بشكل صحيح. يشير تحليل السلائف القديمة إلى أن تطورها من مونومر monomer بسيط لم يتطلب سوى خطوات قليلة.

يخضع بروتين الهيموغلوبين الذي ينقل الأكسجين لعمليات تكيف متكررة مع تطور الحيوانات لغزو بيئات جديدة – من أعماق المحيطات إلى سلاسل الجبال العالية. اعتمدت هذه التكيفات على التغيرات في التفاعلات بعيدة المدى بين مواقع ربط الأكسجين المدفونة في وحدات البروتين الفرعية، وبين هذه المناطق ومواقع الربط binding sites للعديد من جزيئات الفعالة الصغيرة على سطح البروتين. كيف نشأت هذه الآلة الجزيئية المعقدة، التي يمكنها الاستجابة بشكلٍ رائع للغاية للمستويات المتاحة من الأكسجين والعديد من جزيئات الفعالة الأخرى؟

لم يكن هناك أي شيء معروف سابقًا حول كيفية تطور شكل الهيموغلوبين المكون من أربعة وحدات فرعية (رباعي) tetrameric الموجود في الفقاريات الفكية الحديثة من المونومرات القديمة. يتكون الهيموغلوبين رباعي الدم من وحدتين الفا ووحدتين بيتا.

أعاد بناء شجرة تطورية حسابيا لرسم تاريخ البروتين القديم، باستخدام تسلسل الأحماض الأمينية لمجموعة كبيرة من بروتينات الغلوبين الفقارية ذات الصلة الوثيقة، والتي توجد إما على شكل مونومرات أو رباعيات. تم بناء الشجرة مع الأخذ في الاعتبار أن بدائل الأحماض الأمينية لأسهم بروتينية معينة مع أقارب مقربين تميل إلى أن تكون قد نشأت في أسلاف مشتركة أحدث من تلك التي تشاركها مع أقارب أبعد. تشير الشجرة التطورية التي أعيد بناؤها إلى أن السلسلة المتعددة من ازدواج الجينات والاختلاف اللاحق أدت إلى ظهور عائلة الغلوبين، عن طريق العديد من بروتينات الأجداد ، وتطوره إلى هيموغلوبين رباعي.

الشكل 1 | يوضح الخطوات الرئيسية في تطور بروتين الهيموغلوبين رباعي الهيموغلوبين. في الفقاريات الفكية jawed vertebrates ، أسلاف الهيموغلوبين المنقرضة باستخدام تسلسلات الأحماض الأمينية المتوقعة لإعادة بناء تطور البروتين. أظهر الباحثون أن بروتين AncMH ، آخر سلف مشترك للهيموغلوبين وبروتين الميوغلوبين، كان موجودًا كمونومر. أنتج تضاعف الجين الذي قام بتشفير AncMH ، والانحراف اللاحق إلى جينين ، ميوغلوبين أحادي و سلف الهيموغلوبين، Ancα / β ، الذي يشكل homodiamer. أسفر ازدواج جيني جديد لـ Ancα / β , والتشعب اللاحق اسفر عن أسلاف الفا وبيتا heterodiamer, اطلق عليهما Ancα و Ancβ. طورت هاتان الوحدتان الفرعيتان واجهة سمحت بتشكيل مثيلات غير متجانسة. أدت بعض التغييرات الإضافية في بقايا الأحماض الأمينية إلى إنشاء واجهة ثانية سمحت بتجميع الوحدات الفرعية α- و β الحديثة في heterotetramers الهيموغلوبين.

الخطوات التي قام بها العلماء بإحياء العديد من بروتينات الأجداد المنقرضة هذه، وتوليدها من تسلسل الأحماض الأمينية التي تنبأت بها الشجرة. واختبارها :

1- قامو بتحليل ما إذا كان كل بروتين من الأسلاف يمكن أن يشكل ديمرات ورباعيات وحدات فرعية تشبهها أو لا. أقدم بروتين – سلف مشترك للهيموغلوبين وبروتين ميوجلوبين أحادي الغلوبين، يسمى AncMH – موجود فقط كمونومر. يشكل البروتين اللاحق، المسمى Ancα/β ، وهو سلف جميع وحدات الهيموجلوبين الفرعية الموجودة homodiamer عندما يتم التعبير عنه بمستويات عالية.

تشير الشجرة إلى أن Ancα / β خضعت لتضاعف الجينات لإنتاج بروتينين: أسلاف جميع الوحدات الفرعية α- or β الموجودة، والتي تم تسميتها على التوالي Ancα و Ancβ. تشكل هذه البروتينات أيضًا homodimers ، أو حتى homotetramers ، عندما يتم التعبير عنها بمفردها.

ومع ذلك، عندما يتم التعبير عن الاثنين معا بنسب متساوية، يمكن أن يشكلوا heterodimers ، والتي تتوافق بعد ذلك بشكل أكبر لإنتاج haemoglobin tetramers.

بحثت المجموعة بعد ذلك في مدى ارتباط الأكسجين لبروتينات الاسلاف، جنبًا إلى جنب مع قدرتها التعاونية مع الأكسجين (قدرة الوحدات الفرعية المرتبطة بالأكسجين على التفاعل مع بعضها البعض) وتنظيمها التفارغي allosteric بواسطة جزيء مستجيب فعّال اصطناعي ، سداسي الفوسفات الإينوزيتول ( IHP). ووجد الباحثون أن Ancα و Ancβ فقط – عندما يُعبَّران معًا بتركيزات عالية – يُظهران تقاربًا مرتبطًا بالأكسجين، وتعاونًا، وتنظيمًا تفارغيًا مشابه لبروتين الهيموغلوبين اليوم. يتم مشاركة هذه الميزات من قبل جميع الفقاريات الفكية الحية، ولكنها غائبة أو يتم تحقيقها بطريقة مختلفة في الفقاريات الغير فكية ، التي تكون بروتينات الهيموغلوبين الخاصة بها من أصل أقدم. هذا يشير إلى أن الوظائف الأساسية للهيموغلوبين الفقري الفكي قد تطورت بالفعل في سلف مشترك لهذه الحيوانات ولكن في وقت ما بعد الانفصال مع الاسلاف الاقدم

تم نمذجة التغييرات التدريجية في واجهات الوحدة الفرعية α- and β التي ربما سمحت ل Ancα و Ancβ أولاً بتشكيل heterodimers مع بعضها البعض، ولاحقًا heterotetramers من هذه الازواج . أشارت النمذجة إلى أنه من اللافت للنظر أنه قد تكون هناك حاجة إلى القليل من بدائل الأحماض الأمينية لتحويل بروتين بسيط أحادي الارتباط رابط للأكسجين monomeric oxygen-binding protein مشابه للميوغلوبين (الذي يكون ارتباطه بالأكسجين غير متعاون ولا يتأثر تمامًا حتى مع جزيئات المستجيب الفراغي) ليتم انتاج الهيموغلوبين. الأهم من ذلك، تحقق الباحثون من نتائج نموذجهم من خلال توليد البروتينات التي تحمل طفرات في بقايا الأحماض الأمينية المحددة ، وتبين أن تكوين heterotetramer قد تم تعطيله.

يُظهر عمل المؤلفين كيف أن الانتقاء الطبيعي، بناءً على خصائص البروتين البيوفيزيائية الموجودة مسبقًا ، يمكن ، في بضع خطوات تطورية فقط ، أن يخلق multimers لها وظائف معقدة. تنطوي معظم العمليات الخلوية على عمل البروتينات المتعددة .

ماذا ينبغي توافره ليتم إعادة بناء بروتينات الأسلاف؟

هناك شكوك حتمية في هذه الأنواع من إعادة بناء الماضي العميق للحياة، لأن دقة إعادة البناء تعتمد على البروتينات قيد النظر التي يجب أن تكون لها العديد من الخصائص المحددة. يجب أن تظهر البروتينات، بشكل مثالي، معدلات إجمالية صغيرة لتشعب تسلسل الأحماض الأمينية عن بعضها البعض، ولديها علاقات تطورية معروفة تمامًا ومدعومة جيدًا مع بعضها البعض، وتظهر نمطًا تطوريا كثيفًا للفروع على مدار فترات معينة. أخيرا، المعرفة التفصيلية للعلاقات الهيكلية والوظيفية ضرورية. سيكون من الصعب إعادة البناء تسلسل بروتينات الاسلاف ووظائفها التي لا تفي بجميع أو أي من هذه الشروط. ومع ذلك ، فإن الهيموجلوبين مناسب تمامًا لهذا النوع من الدراسة لعدة أسباب: توفر العديد من البيانات المقارنة حول وظيفة الغلوبين عبر الفقاريات على مدى المائة عام الماضي. لدينا معرفة عميقة بهيكل الهيموغلوبين – العلاقات الوظيفية. بالإضافة إلى ذلك ، هناك مجموعة متزايدة الاتساع من معلومات تسلسل الغلوبين، وذلك بفضل مشاريع تسلسل الجينوم في الكائنات الحية المتنوعة .

من المؤكد أن دراسة بيلاي وزملائه ستثير العديد من أسئلة اخرى وتثير المزيد من البحث. على سبيل المثال ، استخدم المؤلفون المستجيب الاصطناعي IHP في تجاربهم ، لكن مواقع الربط الخاصة بالمؤثرات ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية( مثل ايونات الهيدروجين) للهيموغلوبين الناقل للأكسجين، تتداخل جزئيًا – وفي بعض الحالات مختلفة تمامًا – مع موقع ربط IHP . تشير بعض الأدلة إلى أن الآليات التي بواسطتها تقوم أيونات الهيدروجين بتعديل تقارب الهميوجلوبين الاكسجيني قد تطورت بشكل مستقل عدة مرات في الفقاريات. وهذا سيجعل الصورة أكثر تعقيدًا بكثير مما يمكن تقييمه باستخدام IHP

سيكون من المثير للاهتمام استكشاف الأصول التطورية لتنظيم ارتباطات الهيموجلوبين بواسطة مؤثرات أخرى ، مثل ثاني أكسيد الكربون أو الفوسفات العضوية ذات الصلة من الناحية الفسيولوجية بما في ذلك ATP من خلال القيام بذلك، يمكننا أن نفحص، على سبيل المثال، كيف تغير تنظيم الهيموجلوبين مع ارتفاع الطلب على نظام نقل الأكسجين في الجسم أثناء تطور الفقاريات النشطة ذات الدم الحار، أو كيف تأثر بالتغيرات على مدار الوقت الجيولوجي في مستويات الأكسجين في الغلاف الجوي التي اقترحها البعض لتشكيل تطور الفقاريات.

يعتمد تجميع البروتينات المتعددة على تركيزات محددة وبالتالي مستويات التعبير للوحدات الفرعية للبروتين. من المفترض أن الانتقاء الطبيعي يمنع إنتاج الوحدات الفرعية غير المتوازنة، للحد من نفقات الطاقة الباهظة التي ينطوي عليها تخليق البروتين ومنع تراكم وحدات فرعية من الغلوبين التي يحتمل أن تكون ضارة، كما يحدث في بعض اضطرابات الدم الوراثية البشرية. ولكن، في مرحلة ما، كانت هناك حاجة إلى زيادة وتوازن مستويات التعبير عن وحدات الهيموغلوبين الفرعية لتمكين تكوين رباعي الأرجل. متى حدث هذا؟ وقد ثبت 12 أن الشحنة السطحية الصافية للميوغلوبين تعمل بمثابة “توقيع” جزيئي يمكن استخدامه لتقييم مستويات التعبير عن ميوجلوبين الأجداد. ومع ذلك، فإن هذه العلامات غير معروفة إلى حد كبير من بروتينات الغلوبين الأخرى، ولا نعرف مستويات تعبير الأجداد لأي من سلائف الهيموغلوبين التي أعيد بناؤها في دراسة بيلاي وزملائه.

المصادر: 1