Evolution of molecular innovations in cyanobacterial light-perceiving systems

Neue funktionale Eigenschaften sind evolutionär von besonderer Bedeutung und doch paradox: Wie kann Evolution etwas Innovatives schaffen, wenn sie nur mit Variationen von etablierter Biologie arbeiten kann? Neofunktionalisierung von Proteinen nach vorausgegangener Genduplikation ist eine gängige Erklärung, angetrieben durch natürliche Selektion für eine neue, potenziell innovative Funktion. Es ist jedoch fraglich, ob wegweisende Neuheiten tatsächlich durch bloße adaptive Diversifizierung bestehender Proteine erklärt werden können. In dieser Arbeit haben wir das Paradox der molekularen Innovation mit Hilfe molekularer Phylogenetik in zwei Originalveröffentlichungen untersucht. Der erste Artikel erforschte die Evolution von Cyanobakteriochromen (CBCRs), einer Klasse von Phytochromen, die ausschließlich in Cyanobakterien vorkommen. CBCRs haben die innovative Fähigkeit erlangt, kollektiv das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts mit einem Einzeldomänen-Protein wahrzunehmen, im Gegensatz zu den kanonischen Phytochromen mit drei Domänen, die in erster Linie auf rote und fern-rote Lichtsignale reagieren. Mit Hilfe von Ahnensequenzrekonstruktion (ASR) und biochemischer Verifizierung der wiedererweckten Proteine haben wir gezeigt, dass der letzte gemeinsame Vorfahre der CBCRs reversibel auf Grün- und Rotlicht-Signale reagierte. Latente Blaulicht-Wahrnehmung sowie die Fähigkeit, alternative Chromophore zu binden, gepaart mit der minimalistischen Domänenarchitektur, könnten die gewaltige Diversifizierung der CBCRs ermöglicht haben. Dies deutet darauf hin, dass molekulare Innovationen möglicherweise durch eine Verringerung von Proteinkomplexität erreicht werden können, wodurch sich wiederum neue Wege im Sequenzraum für neue Funktionen, wie beispielsweise breitere Farbwahrnehmung, auftun. Der zweite Artikel befasste sich mit der Entwicklung einer neuartigen allosterischen Regulierung beim Lichtschutz von Cyanobakterien durch direkte Protein-Protein-Interaktion. Es ist unklar, ob die dafür erforderlichen Protein-Oberflächenkompatibilitäten nur durch Selektion in kleinen Schritten oder auch zufällig entstehen können. Hier haben wir ASR und biophysikalische Proteincharakterisierung genutzt, um die Entwicklung der allosterischen Interaktion zwischen dem orangefarbenen Carotinoid-bindendem Protein (OCP) und seinem nicht verwandten Regulator, dem Fluoreszenzrückgewinnungsprotein (FRP), zu rekapitulieren. Diese Interaktion entwickelte sich, als ein Vorläufer von FRP horizontal von Cyanobakterien erworben wurde. Die Vorläufer von FRP konnten bereits mit OCP interagieren und es regulieren, noch bevor diese Proteine in einem Ur-Cyanobakterium erstmals aufeinandertrafen. Die OCP-FRP-Interaktion nutzt dabei eine uralte Dimer-Schnittstelle in OCP, die auch schon vor der Aufnahme von FRP in das Lichtschutzsystem bestand. Dies zeigt, wie einfach Evolution komplexe regulatorische Systeme aus bereits existierenden Komponenten aufbauen kann, selbst ohne vorausgegangene Genduplikation. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass Zufallsereignisse in der Proteinevolution eine unterschätzte Rolle spielen können und tatsächlich zu wegweisenden biologischen Innovationen führen.