Antibeku Protein: Bagaimana Menjadi Satu Gene Dua (Dengan Fungsi yang berbeda)

Livejurnal69 - Para peneliti melaporkan bahwa mereka adalah yang pertama untuk menunjukkan secara rinci molekul bagaimana satu gen berevolusi dua fungsi bersaing yang akhirnya berpisah - melalui duplikasi gen - untuk mengejar nasib mereka yang terpisah.

Studi ini, dalam Proceedings of the National Academy of Sciences, memvalidasi hipotesis dekade-lama tentang mekanisme utama evolusi. Penelitian ini juga mengkonfirmasi keturunan dari sebuah keluarga "protein antibeku" yang membantu eelpout Antartika bertahan di perairan dingin di Samudra Selatan.

"Saya selalu mengajukan pertanyaan dari mana ini berasal dari protein antibeku," kata University of Illinois hewan biologi profesor Christina Cheng, yang telah menghabiskan tiga dekade mempelajari adaptasi genetik yang memungkinkan ikan Antartika untuk bertahan hidup di salah satu zona paling dingin di planet. "Sel biasanya tidak menciptakan protein baru dari awal."

Para ilmuwan telah dikenal sejak 2001 bahwa urutan gen coding untuk keluarga protein antibeku (dikenal sebagai AFP III) sangat mirip dengan bagian dari urutan gen yang kode untuk enzim selular pada manusia. Karena Antartika ikan juga memproduksi enzim ini, sintase asam sialic (SAS), diperkirakan bahwa gen untuk protein antibeku entah bagaimana berevolusi dari salinan duplikat dari gen SAS. Tapi belum ada studi yang menunjukkan bagaimana hal ini terjadi dengan data eksperimen yang solid.

Cheng dan rekan-rekannya di Akademi Ilmu Pengetahuan China mulai dengan membandingkan urutan dari SAS dan III AFP gen.

Ada dua SAS gen pada ikan: SAS-A dan SAS-B. Para peneliti menegaskan bahwa AFP III gen mengandung sekuen yang paling mirip dengan yang di wilayah SAS-B.

Mereka juga menemukan urutan pada gen SAS-B itu, ketika diterjemahkan menjadi protein baru, bisa - dengan sedikit modifikasi - mengarahkan sel untuk mensekresikan protein. Ini urutan sinyal sedikit modifikasi juga muncul dalam gen III AFP. Berbeda dengan enzim SAS, yang tetap di dalam sel, AFP III protein yang disekresikan ke dalam darah atau cairan ekstraselular, di mana mereka dapat lebih mudah mengganggu pertumbuhan kristal es menyerang.

"Ini pada dasarnya menunjukkan bagaimana sesuatu yang 'hidup' bahwa di dalam sel ini dapat memperoleh fungsionalitas baru dan pindah ke dalam aliran darah untuk melakukan sesuatu yang lain," kata Cheng.

Analisis lebih lanjut mengungkapkan bahwa protein SAS berfungsi sebagai enzim, tetapi juga memiliki kemampuan mengikat es-sederhana. Temuan ini mendukung hipotesis puluhan tahun yang menyatakan bahwa ketika sebuah gen tunggal mulai berkembang lebih dari satu fungsi, duplikasi gen yang dapat mengakibatkan evolusi berbeda dari gen asli dan yang duplikat.

Temuan baru ini juga mendukung mekanisme yang diusulkan, yang disebut "melarikan diri dari konflik adaptif," dengan mana ini dapat terjadi. Menurut ide ini, jika gen memiliki lebih dari satu fungsi, mutasi atau perubahan lain pada gen melalui seleksi alam yang meningkatkan satu fungsi dapat merusak fungsi lainnya.

"Fungsi enzim asli dan fungsi es-mengikat muncul dari molekul SAS leluhur mungkin bertentangan satu sama lain," kata Cheng. Ketika gen SAS-B menjadi digandakan sebagai akibat dari kesalahan penyalinan atau beberapa peristiwa acak lain dalam sel, katanya, maka masing-masing gen duplikat dibebaskan dari konflik dan "bisa terus jalan evolusionernya sendiri."

"Ini adalah demonstrasi jelas pertama - dengan bukti molekular dan fungsional yang kuat pendukung - untuk melarikan diri dari konflik adaptif sebagai dasar proses duplikasi gen dan penciptaan fungsi benar-benar baru di salah satu salinan putri," kata Cheng. "Ini belum didokumentasikan sebelum di bidang evolusi molekuler."

Cheng mengatakan bahwa bahkan sebelum gen untuk protein antibeku disekresikan dibentuk, protein SAS asli tampaknya memiliki kedua fungsi enzimatik dan es-mengikat. Hal ini menunjukkan bahwa entah bagaimana protein SAS (yang tidak dikeluarkan) bertindak dalam sel untuk mengganggu pertumbuhan es.

Hal ini bisa saja terjadi "pada tahap awal perkembangan ikan," kata Cheng, karena telur menelurkan ke lingkungan yang dingin dan akan mendapat manfaat dari bahkan kemampuan antibeku sederhana dari protein SAS.

Kemudian, setelah gen SAS ini diperbanyak dan gen AFP melanjutkan jalan evolusionernya sendiri, Cheng mengatakan, protein antibeku tampaknya telah berevolusi menjadi protein disekresikan, memungkinkan untuk mengganggu formasi es dalam aliran darah dan cairan ekstraselular, di mana ia akan bermanfaat paling ke ikan dewasa.

National Science Foundation dan Chinese Academy of Sciences mendukung penelitian ini.