Una nuova teoria dell’evoluzione molecolare

Le proprietà biochimiche delle proteine avrebbero un ruolo determinante nei processi di sostituzione degli aminoacidi e quindi nell’evoluzione molecolare

Molte sono le molecole alla base della vita e l’obiettivo più ambito da molti biologi evoluzionisti è comprendere come e perché esse evolvano nel modo in cui sono note farlo. Un gruppo di ricercatori dell’Università del Colorado Anschutz Medical Campus e dell’University College London hanno sviluppato una nuova teoria dell’evoluzione molecolare, offrendo al panorama attuale nuove e interessanti intuizioni circa il funzionamento dei geni, la predizione dei tassi di divergenza evolutiva e l’insorgenza di mutazioni dannose, già a livello basale.

David Pollock, professore di biochimica e genetica molecolare alla CU School of Medicine, e Richard Goldstein, professore di immunologia alla University College London, hanno pubblicato uno studio sulla rivista Nature Ecology and Evolution. La loro teoria ha aperto la strada a nuove interpretazioni riguardo il modo in cui le proteine evolvono.

L’approccio fondamentale, alla base dello studio, consiste nel considerare le proteine come sistemi integrati. I cambiamenti che avvengono in una parte di una proteina non sono quasi sempre “neutrali”, ma possono avere effetti considerevoli sulle altre porzioni di essa, e ciò si è rivelato profondamente utile nel comprendere perché le molecole evolvano in un certo modo.

Le proteine sono continuamente soggette a cambiamenti giacché le mutazioni vengono fissate o eliminate a seconda della struttura, della funzione e della stabilità della proteina. Tutto ciò dipende fortemente dalle interazioni tra gli aminoacidi, le quali possono essere responsabili di un cambiamento a livello di un unico sito (il singolo aminoacido o una vera e propria sequenza aminoacidica), andando però ad alterare le chance di “evoluzione” anche a livello degli altri siti. Gli scienziati hanno scoperto di poter inoltre predire i tassi di evoluzione proteica proprio in base alle proprietà biochimiche peculiari delle proteine stesse.

Per anni, i ricercatori hanno lottato con i problemi relativi ai modelli standard di evoluzione molecolare, utilizzati negli studi evolutivi di parentela e comparazione tra specie. Ciò ha creato non poche difficoltà nel ricostruire eventi evolutivi cruciali, soprattutto negli organismi più ancestrali.

I pattern di convergenza molecolare sono stati visti cambiare regolarmente durante l’evoluzione, indicando l’esistenza di vincoli continuamente fluttuanti in differenti porzioni delle proteine. Tutto ciò ha quindi ribaltato l’idea comune secondo la quale gli aminoacidi “neo-assunti” si adatterebbero alle richieste delle restanti porzioni della proteina.

Nel momento in cui il sistema è reinterpretato secondo meccanismi statistici, la magnitudo del contributo di un singolo aminoacido diventa centrale nel comprendere i tassi di divergenza evolutiva. La forza della selezione nell’evoluzione delle proteine è controbilanciata dall’entropia di sequenza del folding, ossia il numero di sequenze che forniscono una proteina con un dato grado di stabilità.

La nuova teoria, pur tenendo conto di ben noti effetti genetici popolazionistici, quali la forza della selezione e le dimensioni della popolazione, fornisce un’equazione finale che predice il tasso di evoluzione molecolare.

“Ci piace pensare agli altri aminoacidi come ad un gruppo di bambini che saltano su un materasso di gommapiuma mentre provi a camminare su di esso”, ha detto Pollock. “Il più delle volte i tuoi piedi sono affondati nel materasso e non puoi fare un passo avanti, ma ogni tanto i bambini creano un’ammaccatura nel materasso che ti permette di andare avanti”.


Riferimenti:
Richard A. Goldstein et al. Sequence entropy of folding and the absolute rate of amino acid substitutions, Nature Ecology & Evolution 1, 1923–1930 (2017)
doi:10.1038/s41559-017-0338-9