Reconstrueixen l’evolució del receptor de glucocortides a partir del receptor de mineralocorticoides, que va tenir lloc fa 450 milions d’anys

Biologia evolutiva: Les hormones esteroidees se sintetitzen a partir del colesterol. En vertebrats trobem esteroides funcionant com a hormones sexuals o participant en la regulació de l'equilibri mineral de l'organisme (mineralocorticoids) o en la integració metabòlica (glucocorticoids). Mineralocorticoids i glucocorticoids són sintetitzats per cèl·lules de l'escorça de la glàndula suprarenal en resposta a situacions genèriques de estrès. Però si mirem únicament les hormones i les seves diferències químiques, de llocs de producció i de factors que l'afavoreixen, únicament veurem mitja pel·lícula. L'altra mitja la determinen els receptors d'aquestes hormones. Aquests receptors són proteïnes intracel·lulars que, d'una banda, poden unir-se a un determinat tipus d'esteroides, i, de l'altra, després d'unir-s'hi, poden unir-se a regions concretes del genoma i activar l'expressió d'una sèrie de gens. La diversitat i especificitat del sistema hormona-receptor-gen, ha requerit una coevolució dels gens que codifiquen pels enzims responsables de la síntesi i metabolització de les hormones esteroidees, dels que codifiquen pels receptors proteics d'aquestes hormones i de les seqüències gèniques a on s'uneixen aquests receptors un cop activitats. Molta de la diversificació de les hormones esteroidees en els vertebrats es deu a la duplicació total o parcial del genoma que s'observa en aquest llinatge d'animals. A cada duplicació d'un gen originari en resulten dos. Dos gens que evolucionen de forma divergent. De vegades un perd funció i esdevé pseudogen. D'altres, un dels gens adquireix una nova funció. Fou així com l'antic gen del receptor de mineralocorticoids (MR), en duplicar-se en dos gens, va donar lloc, d'una banda al gen actual MR i de l'altra al gen del receptor de glucocorticoids (GR). Joe Thornton, de la Universitat d'Oregon, ha participat en recerques sobre aquesta evolució concreta. Mitjançant la comparació de les seqüències del gens MR i GR de diferents vertebrats van poder identificar les set mutacions que seriadament haurien donat lloc al gen GR a partir del gen MR. Ara, en un article a Science, Thornton, Jamie T. Bridgham, Eric A. Ortlund i Matthew R. Redinbo, han aconseguit de sintetitzar per tècniques d'ADN recombinant aquestes formes mutades intermèdies i, a través de raigs X, analitzar-ne l'estructura tridimensional. Troben així que "mutacions 'permissives' – substitucions sense cap conseqüències immediata, que estabilitzen elements específics de la proteïna i li permeten de tolerar canvis posteriors de canvi de funció – jugaren un paper important en determinar la trajectòria evolutiva del gen GR".[@more@]

Estructura química del cortisol, el principal glucocorticoid. Les accions del cortisol són mediades pel receptor de glucocorticoids (GR). Aquest receptor proteic el trobem en un gran nombre de tipus cel·lulars i medien la resposta de l'organisme a l'hormona: augment de la pressió sanguínia, elevació de la glucèmia, immunosupressió. Aquest darrer efecte és el mecanisme d'acció de fàrmacs immunosupressors com la prednisolona o la hidrocortisona, que també actuen a través del GR.

La família de gens de receptors d'hormones esteroidees i els gens MR i GR de vertebrats

Els receptors d'hormones estereoidees pertanyen a la classe de proteïnes nomenada 'receptors nuclears'. Aquests receptors actuen com a vehicle de senyalització en la cèl·lula: s'activen en presència de ligands específics (hormones esteroidees, hormona tiroidal, àcid retinoic, etc.) i aquesta forma activada té la capacitat de penetrar en el nucli cel·lular i promoure l'expressió dels gens que continguin en el seu promotor una seqüència específica.

Cicle de funcionament d'un receptor nuclear. La unió de l'hormona al receptor (NR) allibera aquest darrer de la proteïna xaperona (HSP) que el té blocat. Llavors el complexe NR-hormona pot formar dímers que poden ser reconegudes i importades pels porus de la membrana nuclear. El NR dimèric pot unir-se a seqüències específiques del genoma (les HRE): els gens que continguin l'HRE en la seva seqüència promotora es veuran activats. Dit d'una altra manera, l'hormona desencadena l'expressió d'una sèrie de gens.

En l'organisme humà s'han descrit 48 receptors nuclears. Dins d'aquests trobem diferents subfamílies. Entre elles hi ha la subfamília de receptors de 3-cetosteroids, on trobem quatre representants. I entre aquests quatre representants hi ha els dos gens que han interessat a la recerca recent de Thornton i Bridgham:

– el gen NR3C2, que codifica per un receptor nuclear que s'activa en presència d'aldosterona i d'altres mineralocorticoides. Per simplificar el continuarem anomenant MR. La relació és dialèctica, de forma que podem dir també l'aldosterona és un 'mineralocorticoide' pel fet que és capaç d'activar el receptor MR. En tot cas els 'efectes' del mineralocorticoide resulten de l'activació de gens desencadenada pel complex receptor MR-aldosterona.

– el gen NR3C1, que codifica per un altre receptor nuclear que s'activa en presència de cortisol i d'altres glucocorticoides. Per simplificar el continuarem anomenant GR. Val a dir que de proteïnes GR hi ha tres isoformes, el GR-α, el GR-β i el GR-γ. Totes aquestes isoformes es generen a partir del mateix gen, però un processat posterior les fa diferents.

Però per tindre un quadre complet de l'evolució dels receptors nuclears no n'hi ha prou amb analitzar les seqüències del 48 gens descrits en el genoma humà. Cal comparar-los amb els gens d'altres genomes. Al capdavall, de gens de receptors nuclears en trobem en pràcticament tots els grups de metazous. Ara bé, en cap altre grup no en trobarem més diversitat de receptors nuclears que entre els vertebrats.

Set substitucions, set

Un exam de les seqüències dels gens MR i GR demostra que el seu origen parteix d'una duplicació escaiguda fa uns 450 milions d'anys. Això es dedueix per la distribució dels gens MR i GR al llarg dels diferents grups de vertebrats. Els vertebrats agnats (lamprees, etc.), per exemple, únicament tenen el gen MR. En canvi, els vertebrats gnatòstoms presenten els dos gens, MR i GR. D'això es dedueix que la duplicació gènica hauria tingut lloc a la base de l'arbre filogenètic dels vertebrats gnatòstoms, una vegada ja s'hauria diferenciat aquest grup dels vertebrats agnats. La duplicació gènica MR-GR s'hauria heretat des de llavors pels diferents grups descendents dels gnatòstoms: taurons i rajades, els peixos teleostis, els amfibis, els rèptils, les aus, els mamífers, etc.

La duplicació gènica hauria estat seguida ràpidament d'una evolució divergent dels gens MR i GR. La proteïna MR juga un paper en el control dels nivells d'electrolits del medi intern, tal com la juga també en el cas de les lamprees. En canvi, la proteïna GR respon al cortisol, un esteroid que es produeix en condicions d'estrès, i desencadena una resposta metabòlica, inflamatòria i immunitària a aquest estrès. Certament que per l'adquisició d'aquesta nova funció és necessària la coevolució de la maquinària de síntesi de cortisol i dels elements gènics de resposta al GR. Però per Thornton la mateixa evolució del GR des del MR és ja tot un repte per la teoria darwiniana.

A partir de les seqüències dels gens GR i MR d'organismes actuals, Thornton va poder deduir amb un cert grau de confiança la seqüència del gen ancestral comú a tots dos. I mitjançant 'tècniques de resurrecció' pot fer expressar aquest gen en sistemes biològics de laboratori i analitzar-ne la funcionalitat.

De primer examina les mutacions hagudes entre el gen ancestral comú (AncCR, receptor ancestral de corticoids) i els dos gens actuals:

– entre el gen AncCR i el gen MR hi ha únicament una substitució en el domini d'unió a lligand (la regió de la proteïna on s'uneix l'hormona).

– entre el gen AncCR i el gen GR hi ha, en canvi, més substitucions.

Les proteïnes AncCR resuscitada i les MR actuals responen a hormones com la 11-deoxicorticosterona (DOC) i l'aldosterona. Com que l'aldosterona és una hormona gairebé exclusiva dels tetràpodes (apareguts fa uns 365 milions d'anys), és de pensar que era la DOC el lligand originari dels primers receptors de corticoids. En canvi, la proteïna GR ha perdut la capacitat de resposta tant a la DOC com a l'aldosterona.

Per explicar la pèrdua d'aquesta capacitat, Thornton i els seus col·laboradors assenyalen particularment dues mutacions (S106P i L111Q, és a dir canvi de serina a prolina en la posició 106 de la proteïnes, i canvi de leucina a glutamina en la posició 111).

De la mateixa forma que l'ADN es troba format per una cadena doble de nucleòtids, les proteïnes són polímers linials d'aminoàcids. El polímer d'aminoàcid o cadena polipeptídica es plega en hèlix i llaços com els de la imatge (en color verd), i adopta una determinada conformació tridimensional. Dins de la proteïna GR trobem diferents regions funcionals o dominis. El domini LBD és d'unió a l'esteroide (en aquest cas, dexametasona, un glucocorticoid sintètic). La unió de l'hormona permet la translocació del GR del citoplasma al nucli cel·lular. Allà a través d'un altre domini, el DBD s'uneix a una seqüència específica de l'ADN, la GRE, que trobem en els promotors de tota una sèrie de gens. Aquests seran els gens que, a través de proteïnes de la maquinària de transcripció (començant pel TIF2) iniciaren la síntesi de l'ARN missatger del gen en qüestió, traduït eventualment a proteïnes.

L'epistasi conformacional o les mutacions 'permissives': la clau per les formes intermitges

En tot cas l'evolució del gen GR es presenta com una evolució complexa. Una cadena de mutacions és necessària per perdre la sensibilitat als mineralocorticoids i guanyar-la pels glucocorticoids. El producte final, el GR, té un avantatge selectiu, però i els productes intermitjos? Els productes intermitjos, aparentment, consistirien en un receptor orfe, incapaç d'activar-se per cap hormona… com podrien haver estat doncs seleccionats favorablement?

Joe Thornton i els seus col·laboradors, Jamie T. Bridgham i Sean M. Carroll, han estudiat detalladament l'efecte de mutacions individuals en l'afinitat del receptor per diferents esteroides. Aquesta feina ens dóna idea de la funcionalitat del receptor… però i l'estructura? Per això van contactar amb Mathew R. Redinbo, del Departament de Química de la Universitat de Carolina del Nord. Redinbo i Eric A. Ortlund estudiarien les proteïnes de Thornton i Bridgham cristal·litzant-les i observant-ne el patró de difracció que produïen quan s'exposava aquests cristalls a raigs X.

Eric Ortlund i Mathew Redinbo analitzaren les estructures de les proteïnes proposades per Bridgham i Thornton mitjançant l'Advance Proton Source de l'Argonne National Laboratory. Proteïnes cristal·litzades eren exposades a raigs X d'alta energia. S'obtenia així una cartografia precisa de la posició dels 2000 àtoms més propers al lloc d'unió de l'hormona.

D'aquesta manera hom combina tres estratègies. D'una banda l'exam de seqüències gèniques i proteiques tal com se les pot seguir en les bases de dades cooperatives. De l'altra la clonació d'algunes d'aquestes seqüències en sistemes d'expressió (en el cas de les proteïnes ancestrals 'resuscitades'), o l'obtenció directa a partir de teixits animals (en el cas de proteïnes actuals), i l'estudi funcional de la seva afinitat per una diversitat d'esteroides. I, en tercer lloc, l'anàlisi per difracció de raigs X de l'estructura de cadascuna d'aquestes seqüències alternatives.

En total els investigadors postulen així un total de set mutacions clau en l'evolució del GR a partir del MR. Dues ja les hem vistes (S106P i L111Q). De les altres cinc, unes intervenen en posicions de la proteïna que interaccionen directament amb l'hormona. D'altres, però, afecten posicions que no hi interaccionen directament. Aquestes darreres mutacions són les més interessants. Els investigadors parlen de 'mutacions permissives'. Són mutacions 'neutres' (que la selecció natural no afavoreix ni perjudica), però la preexistència de les quals fa que les mutacions S106P i L111Q no tinguin un efecte deleteri. I alhora faciliten que noves mutacions generin un remodelat lloc d'unió capaç de reconèixer específicament el cortisol.

Les mutacions permissives d'alguna manera obren el camí a mutacions efectives posteriors. Si bé entre el MR i GR hi hauria força maneres d'introduir les set mutacions crucials (5040), tan sols unes poques d'aquestes trajectòries són plausibles. Ara bé, això no significa que l'evolució del GR fos un fet inexorable del destí. Thornton diu: "aquestes mutacions permissives són esdeveniments atzarosos. Si no tenen lloc abans, llavors el camí cap a la nova funció podria no haver-se emprès mai. Imaginau si l'evolució pogués rebobinar-se i posar-se en moviment de nou: un conjunt ben diferent de gens, funcions i processos en seria el resultat".

Els reptes que es planteja en el futur el laboratori de Joe Thornton no és tan sols l'exam d'evolucions de sistemes similars de receptors d'esteroids (tan en animals com en llevats, etc.), sinó també lligar l'evolució molecular dels receptors amb la de les hormones esteroidees i de les seqüències gèniques a través de les quals actuen els receptors. També ací, segurament, es manifesta el mateix principi: les mutacions aparentment neutres d'avui poden obrir pas a mutacions generadores de complexitat en el futur.

Per cert, que ningú no es pensi que aquesta mena d'estudis únicament serveixen per polemitzar amb els anti-darwinians (disseny intel·ligent i mandangues diverses). Conèixer l'origen evolutiu del gen GR permet il·luminar també les recerques aplicades que es fan sobre glucocorticoids com a fàrmacs immunosupressors, o del paper de l'estrès i l'activació suprarenal en l'epidèmia d'obesitat que s'observa en un gran nombre de societats contemporànies.

Lligams:

Crystal Structure of an Ancient Protein: Evolution by Conformational Epistasis. Eric A. Ortlund, Jamie T. Bridgham, Matthew R. Redinbo, Joseph W. Thornton. Science DOI: 10.1126/science.1142819.

Joe Thornton's Lab.

Scientists Retrace Evolution of an Important Human Protein, comunicat de la National Science Foundation.

Aquesta entrada ha esta publicada en General. Afegeix a les adreces d'interès l'enllaç permanent.

Deixa un comentari

L'adreça electrònica no es publicarà. Els camps necessaris estan marcats amb *

Aquest lloc utilitza Akismet per reduir el correu brossa. Aprendre com la informació del vostre comentari és processada