Met behulp van drie AI-aangedreven eiwitvoorspellingsinstrumenten onthult de studie nieuwe rimpels in het vouwverhaal van ‘wees’-eiwitten.

Wanneer professoren. Joel Sussman en Israel Sillman werden gevraagd om Chinese studenten online te begeleiden tijdens de COVID-19-pandemie, en het laatste wat ze van deze ervaring verwachtten was zeer innovatief onderzoek naar de evolutie van eiwitten dat ons begrip van de manier waarop nieuwe eiwitten ontstaan ​​zou kunnen veranderen. .

“In het begin was ik sceptisch”, herinnert Sussman zich. “Het waren allemaal studenten en communiceren via een computerscherm was niet erg veelbelovend.” Maar hij en Silman – twee professoren aan het Weizmann Institute of Science met honderden gezamenlijke onderzoeken naar de structuur en functie van eiwitten – kwamen overeen om bijlessen te geven aan een team van vier studenten van vooraanstaande universiteiten in heel China. De online mentoring was onderdeel van het YutChun-Weizmann-programma, onder leiding van professor Pinghai Yan van Weizmann.

Sussman en Sillman vroegen de studenten hen bij hun voornaam aan te spreken, een praktijk die voorheen ongehoord was op Chinese universiteiten, en moedigden hen aan kritisch te denken. Ze verwachtten echter niet meer dan een respectabele samenvatting toen ze de studenten vroegen hun oude onderzoek naar variaties in eiwitsequenties te beoordelen. In plaats daarvan kwamen de studenten terug met een diepgaande kritiek, analyseerden ze het onderzoek vanuit een hedendaags perspectief en suggereerden dat sommige conclusies ervan zouden kunnen worden herzien met behulp van nieuwe methoden.

Jing Liu, een van de vier stagiaires, zegt dat dit voor haar en de andere studenten een radicale afwijking was van wat ze gewend waren. “In China kan een student die bijvoorbeeld een masteropleiding studeert, een promovendus of postdoctoraal onderzoeker niet uitdagen; hij kan boos worden of het tegen de PI vertellen”, legt ze uit. Ze wees er echter snel op dat de omgeving anders was op de campus van het Technion-Israel Institute of Technology in Guangdong, waar ze destijds studeerde. “Ik had een begeleider die bereid was naar mij te luisteren en mee te praten, wat bij andere universiteiten in China moeilijk te vinden is.”

De online lessen veranderden, tot verbazing van beide partijen, al snel in discussies. Een onderzoek uit 2017 door Tsjechische wetenschappers, dat Liu de aandacht van haar docenten trok, werd een belangrijk onderwerp van overleg – een onderzoek dat duidde op een interessante ontwikkeling in de geschiedenis van de eiwitevolutie.

Inkepingen in de vouwknobbel

Terwijl de eencellige organismen die ooit de aarde bewoonden, evolueren naar complexere organismen, blijven af ​​en toe veranderingen in hun DNA, als dergelijke veranderingen gunstig zijn, dankzij natuurlijke selectie behouden en doorgegeven aan hogere organismen. Dat is de reden waarom de meeste eiwitcoderende genen in ons lichaam equivalenten hebben (de wetenschappelijke term is 'homologen') in veel andere soorten langs de evolutionaire boom, helemaal terug tot gist of bacteriën. Naarmate eiwitten evolueerden, begonnen veel van hen zich te vormen tot complexe structuren waardoor ze gespecialiseerde taken konden uitvoeren.

Gegeven het feit dat natuurlijke selectie al miljarden jaren actief is, lijkt het erop dat eiwitten genoeg tijd hebben gehad om alle mogelijke gunstige sequenties te ontwikkelen. Tot voor kort geloofden wetenschappers zelfs dat alle bestaande eiwitten ontstonden door het verbeteren van bestaande sequenties, en dat er al lange tijd geen echte nieuwe eiwitten meer waren ontstaan.

Maar iets meer dan tien jaar geleden begonnen er barsten te verschijnen in dit wetenschappelijke evangelie: er kwamen bewijzen naar voren dat er voortdurend nieuwe eiwitten opduiken. Toen wetenschappers de volledige genomen van verschillende organismen begonnen te sequencen, onthulden vergelijkingen de aanwezigheid van genen die coderen voor ‘pasgeboren’ eiwitten in alle soorten, van bacteriën tot mensen. Er wordt aangenomen dat deze eiwitten hun oorsprong vinden in niet-coderende regio's die het grootste deel van het genoom vormen. In dit scenario krijgt een stuk DNA dat geen recept voor eiwitten heeft, toevallig een reeks mutaties die het in een eiwitcoderend gen veranderen.

De Tsjechische studie, die Liu en haar leraren intrigeerde, opende een nieuwe scheur in de leer. De Tsjechische onderzoekers creëerden ongeveer 100 hypothetische eiwitsequenties door bestaande eiwitgenen willekeurig te schudden als een pak kaarten. Toen ze deze ‘nooit geboren’ eiwitten synthetiseerden en in het laboratorium testten, ontdekten ze dat ongeveer een derde ervan tekenen vertoonde van vouwing tot compacte structuren, zoals natuurlijke eiwitten.

“Dit was absoluut geweldig”, zegt Sussman. “Als iemand mij ooit had gevraagd of het mogelijk was om op deze manier een willekeurige eiwitsequentie te vouwen, zou ik hebben gezegd: nooit.”

Sillman legt uit dat het vermogen van eiwitten om te vouwen essentieel is voor het leven. Hoewel niet alle eiwitten vouwen, zijn het gevouwen eiwitten, met georganiseerde segmenten, die cruciale katalytische functies vervullen in levende organismen. Door aan te tonen dat ‘nooit geboren’ eiwitten kunnen vouwen, gaf het Tsjechische onderzoek aan dat nieuwe eiwitten niet alleen geboren konden worden, maar ook nieuwe biologische rollen zouden kunnen vervullen.

Geboren weeskinderen

Hoe verandert een stukje niet-coderend DNA in een ‘pasgeboren’ eiwit, en hoe wordt dit eiwit actief? Wat is de tijdschaal voor deze processen? Kunnen de betrokken mechanismen ooit worden benut bij het ontwerpen van eiwitten?

Om deze vragen te helpen beantwoorden, besloten Sussman en Sillman om, voor zover zij weten, een van de eerste structurele onderzoeken naar opkomende eiwitten uit te voeren. Ze lanceerden het project samen met Liu, de eerste auteur van het artikel, en Rong Qingyuan, destijds een student aan de Tsinghua Universiteit in Beijing. De vier ontmoetten elkaar anderhalf jaar online voordat ze hun zoektocht voltooiden gepubliceerd Onlangs in het tijdschrift Eiwitten: structuur, functie en bio-informatica. De andere twee studenten, Wei Shao en Jitong Wang, waren betrokken bij de vroege stadia van het project; Ze stopten met het onderzoek aan het einde van het geplande onderwijsprogramma, maar zijn co-auteurs van het gepubliceerde artikel.

Het team onderzocht de mogelijkheid om ‘ontluikende’ eiwitten te vouwen met behulp van kunstmatige intelligentie (AI) tools die de studie van eiwitstructuren de afgelopen jaren radicaal hebben veranderd. Deze algoritmen kunnen nu in de meeste gevallen op betrouwbare wijze de 3D-structuur van een eiwit voorspellen op basis van alleen de aminozuursequentie, waardoor de noodzaak wordt omzeild om eiwitkristallen te laten groeien en hun structuur experimenteel te bepalen.

Een van de belangrijkste uitdagingen waarmee het team werd geconfronteerd, was dat deze voorspellingsalgoritmen het beste werken wanneer het eiwit van belang veel homologen heeft (equivalenten van andere soorten), terwijl ‘nieuw gegenereerde’ eiwitten per definitie in slechts één of een handvol eiwitten aanwezig zijn. . Classificeren. Omdat ze geen evolutionaire ouders hebben, worden ze soms weeseiwitten genoemd (of quasi-weeseiwitten, als ze maar in een paar verwante soorten voorkomen). Er was de expertise van het team voor nodig om AI-hulpmiddelen met succes toe te passen op minder homogene weeseiwitten. Om de kansen op het verkrijgen van betrouwbare resultaten te vergroten, gebruikten de wetenschappers drie verschillende kunstmatige intelligentie-algoritmen – AlphaFold2, RoseTTAFold en ESMFold – en vergeleken hun resultaten.

Ten eerste gebruikte het team de drie algoritmen om de 3D-structuren van de ‘nooit gegenereerde’ hybride eiwitsequenties uit het Tsjechische onderzoek te voorspellen. De voorspellingen identificeerden de structuur van elk eiwit als gevouwen of ongeordend op een manier die overeenkwam met de experimentele resultaten van het onderzoek.

Liu, Yuan en hun Israëlische mentoren pasten de algoritmen vervolgens toe op de ‘pasgeboren’ weeseiwitten, die vervolgens experimenteel werden gezuiverd en op de juiste manier gekarakteriseerd. Na het doorzoeken van de wetenschappelijke literatuur identificeerden de wetenschappers zeven van deze weeseiwitten waarvan de functie, maar niet hun structuur, bekend was.

AI-tools gaven aan dat vijf van de zeven compact opgevouwen waren, terwijl twee een gedefinieerde structuur leken te missen. Voor een van de vijf deden de drie algoritmen opvallend vergelijkbare voorspellingen – wat wijst op een zeer hoge waarschijnlijkheid van nauwkeurigheid – zozeer zelfs dat het tijdschrift de drie 3D-structuren op de omslag liet zien.

Daarnaast doorzochten de wetenschappers de eiwitdatabank en vonden drie weeseiwitten waarvan de kristalstructuren experimenteel werden bepaald. Opmerkelijk genoeg vertoonden twee van deze eiwitten plooien waarvan niet bekend is dat ze elders bestaan. Omdat de structuur de eiwitfunctie bepaalt, suggereren de nieuwe plooien dat sommige weeseiwitten voorheen onbekende biologische functies kunnen vervullen die in de toekomst kunnen worden benut voor een reeks nuttige toepassingen, van het hakken van plastic tot het opwekken van schone energie of het behandelen van ziekten.

“Dit onderzoek verandert ons idee van hoe evolutie werkt”, zegt Sussman. “Evolutie verloopt meestal op de manier die Darwin beschreef, maar soms kunnen eiwitten in zekere zin uit het niets verschijnen. Er kunnen dus nieuwe eigenschappen uit het niets tevoorschijn komen.” nergens, als het ware, “In plaats van gedurende miljoenen jaren uit voorouders te zijn geëvolueerd.” Sillman voegt eraan toe dat de bevindingen van het onderzoek, samen met andere onderzoeken naar ‘opkomende’ eiwitten, het denken over de oorsprong van het leven in het algemeen, en de oorsprong van het leven in het bijzonder, veranderen: ‘Het lijkt alsof we niet alleen maar afstammelingen zijn van E. coli .”

“We hopen dat onze studie andere wetenschappers zal motiveren om weeseiwitten te onderzoeken met behulp van AI-voorspellingsinstrumenten om een ​​idee te krijgen van hun structuur en functie”, besluit Sussman, “en wanneer er een compleet nieuwe structuur ontstaat, zijn alle weddenschappen uitgesloten over wat een eiwit zou biochemisch kunnen werken.” . Dit is het moment waarop nieuwe en opwindende onderzoekshorizons zich openen.”

Liu studeert nu voor haar masterdiploma in het laboratorium van professor Nima Barkai in de Weizmann Department of Molecular Genetics, en Yuan is momenteel een afgestudeerde student aan het Southwestern Medical Center van de Universiteit van Texas in Dallas. Professor Sussman werkt bij de afdeling Chemische en Structuurbiologie van Weizmann, professor Silman bij de afdeling Hersenwetenschappen en professor Pinghai Yan bij de afdeling Fysica van de Gecondenseerde Materie. Professor Amit Winkler, van de afdeling Chemische en Biologische Fysica, coördineert het YutChun-Weizmann-programma aan de School of Chemistry.

Het YutChun-Weizmann-programma maakt deel uit van een initiatief gericht op het versterken van de academische samenwerking tussen China en de internationale wetenschappelijke gemeenschap. Een van de activiteiten van het programma is dat excellente studenten onderzoeksmogelijkheden krijgen.