miércoles, septiembre 03, 2008

Homologia e conservação hierárquica de estruturas

"If one looks for bacterial relatives of tubulin or actin using a
simple computer search for sequence similarity, nothing will be
found. In 1992 Bork et al.(8) used a sophisticated structure-
based sequence alignment, and they discovered that bacteria
did have genes related to actin. Actin is a member of a larger
superfamily that includes sugar kinases, the chaperone
hsp70, and the actin subfamily. These three subfamilies show
no recognizable sequence identity to each other in normal
pairwise alignments, but when the structures of hexokinase,
hsp70 and actin were determined by X-ray crystallography,
they were found to have virtually identical folding patterns.
Structural biologists interpret this to mean that the three
subfamilies evolved from a common protein ancestor.(9) Sugar
kinases and hsp70 were already known to exist in both
bacteria and eukaryotes because of their clear sequence
similarity: the bacterial proteins are 50 – 60% identical to their
eukaryotic homologs.(10) But the closest bacterial proteins to
eukaryotic actin showed less than 15% identity,(8) which is too
low for reliable identification. However, the more-sophisticated
alignment of Bork et al.(8) found three bacterial proteins that
appeared to be relatives of actin—FtsA, MreB and StbA (now
called ParM)"




A descoberta de proteínas homólogas a actina e tubulina em bactérias a partir de sua topologia - mas não de sua sequencia de nucleotídeos - nos mostra um ponto interessante em relação a dinâmica de transformação dos seres vivos. As transformações ocorrem de maneira hierárquica, ocorrendo de maneira semi-independente entre os diferentes niveis desde que conservada uma estrutura viável em cada nível. Ou seja, neste caso específico, as sequencias de nucleotídeos podem se transfomar desde que conservada as relações entre actina ou tubulina com outras moléculas, o que ocorre no nível das estruturas terciárias. Algo similar ocorre na relação entre conduta e morfologia. É comum que certas condutas, como o "bowing" em aves, se conservem em diferentes espécies apesar dos câmbios morfólogicos (e evidentemente, o revés é verdadeiro: mesmas morfologias permitem diferentes condutas). Também é o que ocorre em relação a formação das lentes nos olhos de anuros: em Rana fusca, como descrito por Spemann há mais de um século, a fomação das lentes no epitélio é induzida pela vesícula óptica. No entanto, em Rana esculenta não é necessário que ocorra indução. A mesma estrutura - um olho de Rana - é conservada apesar de transformações nos processos histológicos e moleculares.





Isto é essencialmente o que permite a ocorrência de "phenogenetic drift" - a morforfologia ou histologia é conservada, mas os processos moleculares subvernientes se tansformam. Eu, particularmente, prefiro não descrever este fenômeno como uma deriva do genótipo em relação ao fenótipo, como sugere o termo phenogenetic, pois isto presupõe um genótipo que determina um fenótipo. Seria preformacionista, pois supõe que a estrutual inicial determina as transformações durante a ontogenia, e reducionista pois supõe que os diferentes níveis de organização são controlados pelo nível molecular. Prefiro encarar todos estes fenômenos como uma deriva estrutural onde um nível pode se transformar desde que conservada sua operacionalidade e desde que sua realçao com os outros níveis não interrompa a operacionalidade destes.



De Beer, G. Homology, an unsolved problem, v.74. 1971

Erickson, H. P. Evolution of the cytoskeleton. Bioessays, v.29, n.7, p.668-77. 2007.

Weiss, K. M. e S. M. Fullerton. Phenogenetic Drift and the Evolution of Genotype–Phenotype Relationships. Theoretical Population Biology, v.57, n.3, p.187-195. 2000.

3 comentarios:

Sanders dijo...

Muy bueno lo de los niveles...

Efectivamente el "desacople" entre el genotipo total y el fenotipo es una conclusión inescapable de las comparaciones filogenéticas. El ejemplo de las "actinas" bacterianas es bastante prístino. Maturana y Mpodozis hablaron clarito de este "desacople".

cristian G. dijo...

muy interesante chico, a todo nivel existe desacople entre estructura y funcion.
La contraparte molecular a estas homologias por estructura, es decir una estructura con muchas fucniones, seria las "moonlighting proteins" que son proteinas con mas de una funcion. Estas proteínas tienen solo una estructura terciaria pero cumplen distintas funciones dependiendo del contexto celular o molecular donde se encuentren. la funcion dependera de si estan dentro o fuera de la célula, si se expresa en una neurona o en una celula hepatica, si esta como monomeros o oligomeros, si unen o no un cofactor, etc. por ejemplo:

"...Thymidine phosphorylase also has different functions inside and outside the cell9. In the cell cytoplasm, it catalyzes the dephosphorylation of thymidine,
deoxyuridine and their analogs to their bases and 2-deoxyribose 1-phosphate.
In the extracellular fluid, it is plateletderived endothelial cell growth factor, which stimulates endothelial cell growth and chemotaxis."

la mayoria de estas proteinas y genes tenian multiples nombre antes de que se dieran cuenta que la estructura era la misma. quien sabe cuantas mas hay sin descubrir.

Chico dijo...

Bueno, es posible que la actina también sea una moonlight protein. Esta claro que la actina nuclear es necesaria para que ocurra la transcripción y, como casi no hay indicios de filamientos de actina en el nucleo, ella podria estar actuando como monomero. Quizá como un scafold o mismo como una ATPasa. De hecho, el homologo de actina en bacterias actua en el movimiento de los plasmidos, quizá su "funcción original".
(divagación: será el citoesqueleto de actina una exaptación de parte de la maquinaria de transcrición?)