La Ciencia y sus Demonios

Estructura tridimensional del regulador BzdR. La imagen representa un dímero, donde se observan dos dominios de unión a DNA (parte inferior) y dos dominios de interacción con el inductor (parte superior)

Un grupo de investigación español del CIB-CSIC presenta en el último número de la revista PLOS ONE la posible senda evolutiva que ha originado un regulador transcripcional. Uno de los dominios de dicho regulador tendría su origen en una enzima, lo que apoyaría la hipótesis según la cual, un alto número de reguladores se han originado por la fusión de un dominio de unión a DNA y un dominio que deriva de un ancestro enzimático. Este trabajo supone una de las primeras evidencias experimentales a favor de dicha hipótesis.

Una hipótesis, que va cobrando cada vez más solidez, postula que algunas enzimas han evolucionado hacia dominios de reguladores transcripcionales (1). Dicho proceso evolutivo se iniciaría mediante un aumento del número de copias del gen que codifica para la enzima; posteriormente alguna de las copias perdería la afinidad por el sustrato (al menos parcialmente) y ganaría la capacidad de reconocer nuevos compuestos, que podrían pasar a ser inductores. Para testar esta hipótesis de forma experimental se analizó el regulador BzdR de la bacteria Azoarcus sp. CIB. Esta bacteria vive en agua dulce y suelos, y tiene la capacidad de degradar compuestos aromáticos (algunos de ellos contaminantes como el tolueno o el m-xileno), tanto en presencia como en ausencia de oxígeno (2).

BzdR es el represor transcripcional que controla a los genes implicados en el catabolismo anaeróbico de uno de los compuestos que degrada, el benzoato. Cuando no hay benzoato en el medio, BzdR se une a la región DNA e impide la transcripción de los genes implicados en la degradación del benzoato, asegurando de esta forma que no existe un gasto gratuito de energía por parte de la célula. El inductor de BzdR es el benzoil-CoA, primer intermediario de la ruta de degradación anaeróbica del benzoato. El benzoil-CoA interacciona con el regulador BzdR, y hace que éste se despegue del promotor, permitiendo la transcripción desde el mismo (3, 4).

Lo que llamaba la atención de BzdR es la alta identidad que posee su dominio carboxi-terminal con la enzima siquimato quinasa (SK), que está implicada en la síntesis de aminoácidos aromáticos, tales como el triptófano o la tirosina. Esto permitió plantear la hipótesis de que dicho dominio derivaba evolutivamente de una SK, o bien de un ancestro de dicha enzima. Para testar esta idea se construyó una quimera en la que se fusionó al dominio amino-terminal de BzdR (aquel que se une al DNA) con la SKI de Escherichia coli. Pudo observarse que la nueva proteína construida seguía manteniendo la actividad enzimática, a la vez que era capaz de reprimir la transcripción del promotor catabólico que controla BzdR. Mediante mutagénesis dirigida se obtuvo una variante que ya no poseía dicha actividad enzimática, pero que sí era capaz de funcionar como regulador transcripcional al reconocer siquimato, el sustrato de la SK.

¿Cómo pudo mantenerse una proteína de este tipo tras formarse?, ¿qué ventajas evolutivas ofrece para no ser eliminada por la selección natural? Se pudo demostrar que la nueva quimera construida, y por tanto la propia SK de la que deriva, reconoce el benzoil-CoA, por lo que pudo operar como dominio de un regulador que reconoce el benzoil-CoA como inductor desde el mismo momento en que se fusionara a un dominio de unión a DNA. Se han descrito, que muchas enzimas poseen una cierta promiscuidad, son capaces de reconocer diversos sustratos, aunque con diferente grado de afinidad. De hecho se plantea que esto fue lo que ocurrió en los primeros momentos de la evolución, las proteínas reconocían un alto número de sustrato, como stem proteins (5-9) y que por mutación se fueron especializando en las diferentes funciones que hoy observamos. Algunas acabaron como enzimas que catalizan reacciones en presencia de determinados sustratos, otras sin embargo pueden haber sido reclutadas por dominios de unión a DNA para constituir reguladores transcripcionales que responden a determinados inductores.

Modelo que representa el origen evolutivo del regulador BzdR a partir de un dominio de unión a DNA y un ancestro de las SK

Ya se tenían algunos datos acerca de la promiscuidad de las SK. En E. coli existen dos copias de la enzima, las llamadas SKI y SKII. Cuando SKII es mutada se observa que las cepas mutantes se convierten en resistentes al antibiótico meticilina (10). Las causas de ese cambio fenotípico son desconocidas. De igual forma se ha observado que en algunas plantas existen diversas copias de SK, algunas de ellas con actividad siquimato quinasa, mientras que otras han perdido esa función y participan en otros procesos celulares (11). El trabajo aquí presentado muestra por vez primera como un ancestro de la SK ha derivado, no hacia un nuevo enzima, sino hacia un regulador transcripcional (12).

Referencias:
1. McAdams, H.H. y col. (2004) The evolution of genetic regulatory system in bacteria. Nat. Rev. Gene 5:169-178.
2. López-Barragán, M.J. y col. (2004) The bzd gene cluster, coding for anaerobic benzoate catabolism, in Azoarcus sp. strain CIB. J. Bacteriol. 186:5762-5774.
3. Barragán, M.J. y col. (2005) BzdR, a repressor that controls the anaerobic catabolism of benzoate in Azoarcus sp. CIB, is the first member of a new subfamily of transcriptional regulators. J. Biol. Chem. 280:10683-10694.
4. Durante-Rodríguez, G. y col. (2010) Biochemical characterization of the transcriptional regulator BzdR from Azoarcus sp. CIB. J. Biol. Chem. 285:35694-35705.
5. Galvão, T.C. y col. (2007) Emergence of novel functions in transcriptional regulators by regression to stem protein types. Mol. Microbiol. 65:907-919.
6. Jensen, R.A. (1974) Enzyme recruitment in evolution of new function. Annu. Rev. Microbiol. 30:409-425.
7. O’Brien, P.J. y Herschlag, D. (1999) Catalytic promiscuity and the evolution of new enzymatic activities. Chem. Biol. 6:R91-R105
8. Peisajaovich, S. y Tawfik, D. (2007) Protein engineers turned evolutionists. Nat. Meth. 4:991-994
9. Aharoni. A. y col. (2005) The ‘evolvability’ of promiscuous protein functions. Nat. Genet. 37:73-76.
10. Vinella, D. y col. (1996) Mecillinam resistance in Escherichia coli is conferred by loss of a second activity of the AroK protein. J. Bacteriol. 178:3818-3828.
11. Fucile, G. y col. (2008) Evolutionary diversification of plant shikimate kinase gene duplicates. PLoS Genetics 4: e1000292.
12. Durante-Rodríguez, G. y col. (2013) Identification of a missing link in the evolution of an enzyme into a transcriptional regulator. PLOS ONE 10.1371/journal.pone.0057518