Schimbări evolutive la o enzimă esențială ajută bacteriile să ajusteze sinteza proteinelor
Schimbările evolutive la o enzimă cheie în sinteza proteinelor, isoleucil-tRNA sintetaza (IleRS), pot ajuta bacteriile să regleze rapiditatea cu care se formează proteinele, conform unui studiu realizat de cercetători de la Institutul de Știință Tokyo, Japonia; Universitatea din Zagreb, Facultatea de Științe, Croația; și ETH Zürich, Elveția.
Cercetătorii au urmărit istoria evolutivă a enzimei și au identificat trei clade distincte de IleRS. Rezultatele arată că remodelarea regiunii C-terminale, inclusiv pierderea repetată a unei regiuni structurale numite „INS”, ar fi putut contribui la rafinarea activității enzimei și a vitezei de reacție.
Fiecare celulă conține milioane de molecule de proteine necesare pentru diverse funcții celulare. Sinteza proteinelor este procesul prin care informația codificată în ADN este transformată în proteine esențiale pentru susținerea vieții. În acest proces, ARN-urile de transfer (tRNA) acționează ca transportatori moleculare, aducând aminoacizi specifici la ribozom, unde sunt asamblate în proteine conform informației genetice codificate în ARN-ul mesager (mRNA), derivat din ADN. Înainte ca un tRNA să își poată îndeplini rolul, trebuie să fie „încărcat” cu aminoacidul corect. Această etapă crucială este realizată de o familie de enzime numite aminoacil-tRNA sintetaze (AARS), care recunosc tRNA-urile specifice și atașează aminoacidul corespunzător la enzimă (aminoacilare). Precizia acestui proces este esențială, deoarece atașarea unui aminoacid greșit poate duce la erori în proteina sintetizată.
Un membru al acestei familii este isoleucil-tRNA sintetaza (IleRS), care asociază aminoacidul izoleucină cu tRNA-ul său corespunzător. IleRS a fost tradițional clasificat în două forme, IleRS1 și IleRS2, pe baza diferențelor în regiunile lor C-terminale. Totuși, istoria evolutivă și semnificația funcțională a acestor diferențe au rămas neclare.
Acum, un studiu condus de cercetători de la Institutul de Știință Tokyo, Universitatea din Zagreb și ETH Zürich dezvăluie o imagine mai complexă a modului în care această enzimă esențială a evoluat. Studiul combină bioinformatică, cristalografie cu raze X și caracterizări cinetice extinse, reconstruind istoria evolutivă a IleRS și investigând modul în care schimbările evolutive în enzimă afectează recunoașterea tRNA, funcția enzimei și rata de aminoacilare.
Rezultatele sugerează că bacteriile au simplificat repetat părți ale acestei enzime, ceea ce ar putea îmbunătăți rata de aminoacilare și ar contribui la o sinteză proteinică mai rapidă.
Pentru a descoperi detaliile evolutive, cercetătorii au analizat secvențele IleRS din bacterii, arhee și eucariote și au construit arbori filogenetici pentru mai multe domenii ale enzimei. Analiza lor a dezvăluit trei grupuri evolutive: IleRS1, IleRS2 și un grup de enzime arhee adânc ramificate, denumit IleRS-A. Aceștia au constatat că IleRS-A are o organizație C-terminală asemănătoare cu IleRS2, în timp ce domeniul său sintetic (denumit HUP) este mai aproape de cel al IleRS1. De asemenea, analiza sugerează că IleRS1 ar putea fi derivat dintr-un strămoș asemănător cu IleRS-A, însoțit de remodelarea regiunii sale C-terminale.
Pentru a susține acest model evolutiv, cercetătorii au găsit dovezi că remodelarea C-terminală a continuat pe parcursul evoluției IleRS. În special, o regiune de aproximativ 80 de aminoacizi, numită subdomeniu INS, a fost pierdută independent în multiple linii evolutive prokariotice. Subdomeniul INS interacționează cu D-loop-ul (o parte a tRNA) în IleRS2. Pentru a investiga semnificația sa funcțională, echipa a determinat structura cristalină a IleRS2 din Priestia megaterium legată de un tRNA din Escherichia coli. Aceștia au analizat modelul structural folosind mutații țintite și experimente cinetice. Aceasta a fost prima structură cristalină raportată a unei IleRS care conține subdomeniul INS, care este evolutiv instabil.
Experimentele au arătat că, deși subdomeniul INS contribuie la legarea tRNA-ului, nu este esențial pentru transferul productiv de aminoacil în condițiile testate. Mutațiile care au slăbit interacțiunea dintre INS și D-loop-ul tRNA-ului au crescut turnover-ul catalitic al enzimei cu aproximativ patru ori. Eliminarea întregului subdomeniu INS a redus afinitatea aparentă a enzimei pentru tRNA, crescând KM pentru tRNA cu aproximativ 15 ori, dar nu a anulat activitatea de aminoacilare, demonstrând cât de ușor poate fi acceptată pierderea domeniului INS.
Cercetătorii au testat, de asemenea, acești mutanți în E. coli. Când IleRS-ul propriu al bacteriilor a fost blocat, enzimele modificate care purtau mutații în subdomeniul INS au fost capabile să susțină în continuare creșterea bacteriană. Deși eliminarea completă a INS a îngreunat compleția, enzima mutantă INS a rămas funcțională atunci când a fost exprimată la niveluri mai ridicate, împreună cu tRNA suplimentar pentru izoleucină. În contrast, mutațiile care au perturbat locul de recunoaștere a anticodonului tRNA-ului au împiedicat enzima să susțină creșterea bacteriană, evidențiind rolul critic al recunoașterii anticodonului în transferul aminoacilului.
„Am observat că schimbările evolutive în regiunea C-terminală pot modifica modul în care IleRS interacționează cu tRNA fără a perturba neapărat funcția sa catalitică esențială”, afirmă Gruic-Sovulj.
Descoperirile subliniază regiunea C-terminală a IleRS ca un loc important de remodelare evolutivă, prin care interacțiunile enzimei cu tRNA și activitatea catalitică pot fi reglate. Autorii sugerează că remodelarea C-terminală, inclusiv înlocuirea unui domeniu în timpul apariției IleRS1 și pierderea repetată a INS în prokariote, ar fi putut contribui la o aminoacilare mai rapidă. În ansamblu, studiul arată cum un component esențial al mașinăriei de traducere poate să își mențină funcția în timp ce suferă modificări structurale care pot influența viteza ciclului său catalitic.
