Protein của rắn tiến hóa nhằm thích nghi

Trước khi những hệ thống dữ liệu cỡ lớn hình thành, người ta cho rằng quá trình biến đổi và phân tách hình thái cũng như sinh lý có thể dễ dàng được giải thích ở cấp độ phân tử. Tuy nhiên những biến đổi thích nghi về sinh lý lại nhận được rất ít lời giải đáp cho đến nay.

Trong một nghiên cứu xuất bản trên tờ PLoS ONE thứ 4 ngày 21 tháng 5, Pollock và cộng sự đã mang đến một bằng chứng về những biến đổi tiến hóa vĩ mô ở loài rắn (thích nghi về trao đổi chất, các chức năng sinh lý hay quá trình tiến hóa của nọc độc): quá trình đó xảy ra song song với quá trình tái thiết chức năng trên quy mô lớn của các phân tử protein chuyển hóa giữ vai trò trung tâm.

Tiến sĩ David Pollock kiêm giáo sư Di truyền học phân tử và hóa sinh học tại đại học Y Colorado Denver cho biết: “Kết quả tiến hóa ở cấp độ phân tử rất đáng kể. Nó dành quyền ưu tiên bậc nhất cho quá trình tái thiết protein nhằm thích nghi. Điều này trình bày sự kiện tiến hóa protein bùng nổ ấn tượng nhất ở một phân tử protein được bảo tồn mà tôi được biết”.

Trong mười năm qua, các khoa học gia đã cho thấy loài rắn có những khả năng đặc biệt: chúng có thể điều hòa sự phát triển tim và hệ tiêu hóa. Chúng có thể tồn tại trong điều kiện hệ thống trao đổi chất biến đổi tột bậc trong số các động vật có xương sống. Do đó loài rắn trở thành mô hình lý tưởng để nghiên cứu sự phát triển các cơ quan cũng như sự điều hòa trao đổi chất và sinh lý.

(Ảnh: dreamstime.com)

Lý do khiến loài rắn trở nên đặc biệt trước đây chưa từng được biết đến ở cấp độ phân tử. Trong nghiên cứu này, Pollock và cộng sự cùng các nhà nghiên cứu đã chứng minh protein phosphorylation ôxi hóa mã hóa mitochondria trong rắn phải trải qua một quá trình tái thiết đặc biệt. Điều này có thể giải thích tại sao rắn lại có những chức năng sinh lý và quá trình chuyển hóa có một không hai.

Axit amono thường không tập trung nhiều ở những protein bị biến đổi nói trên làm ảnh hưởng đến các chức năng phân tử chủ chốt như quá trình chuyển proton (tạo nên gradient mật độ proton điều khiển quá trình sản xuất năng lượng trong tế bào). Bên cạnh việc thúc đẩy quá trình thay thế amino axit, các nhà nghiên cứu cũng đã thu được những bằng chứng tiến hóa đáng kể ở cấp độ phân tử của quá trình hội tụ và đồng tiến hóa.

Chức năng của protein chuyển hóa ôxi hóa ở động vật có xương sống vẫn còn gây nhiều tranh cãi phần lớn do những khó khăn trong việc thao tác xử lý những protein màng tế bào này trong phòng thí nghiệm. Bằng cách kết hợp phân tích tiến hóa phân tử cùng với dữ liệu cấu trúc của protein, các tác giả của nghiên cứu cho thấy các chức năng quan trọng của protein mã hóa mitochondria (như vận chuyển oxi, electron và proton qua cytochrome C oxidase) về cơ bản đã được biến đổi trong quá trình tiến hóa của loài rắn.

Rắn trước đây từng được cho là sở hữu một hệ thống kiểu mẫu về sinh thái, sinh lý và chuyển hóa nhằm nghiên cứu quá trình tiến hóa. Những kết quả thu được hiện nay đã chứng minh cho ý kiến đó. Loài rắn với vai trò là hệ thống nghiên cứu mẫu nay đã có thể mở rộng khả năng nghiên cứu đến cấp độ phân tử.

Tiến sĩ Todd Castoe – tác giả chính của bài viết – cho biết: “Rắn là nguồn nghiên cứu vô giá đối với các nhà sinh học cấu trúc cũng như các nhà hóa sinh học. Họ có thể sử dụng vốn di truyền tương đối nhằm thiết lập những giả thuyết về COI và chức năng phosphorylation ôxi hóa hay về quá trình biến đổi, tái thiết các chức năng này."

Pollock phát biểu: “Chúng tôi tin rằng kết quả sẽ mang lại một ví dụ khuôn mẫu rõ ràng nhất, ấn tượng nhất về quá trình tiến hóa thích nghi ở một loại protein chuyển hóa trung tâm. Kết quả cũng nhằm nói lên rằng có thể tồn tại mối liên kết giữa thích nghi chức năng sinh lý và thích nghi về mặt phân tử”.

“Bản thảo cũng là một cột mốc quan trọng về tiến hóa phân tử và sự thích nghi của động vật có xương sống, mở ra những hướng đi có cơ sở rõ ràng cho các nghiên cứu về sau. Protein chuyển hóa của rắn làm sáng rõ hiểu biết về sự điều hòa các protein chuyển hóa chức năng quan trọng nhưng khó nắm bắt này."

Trích dẫn: Castoe TA, Jiang ZJ, Gu W, Wang ZO, Pollock DD (2008) – Quá trình tiến hóa thích nghi và tái thiết chức năng của protein chuyển hóa trung tâm ở loài rắn.
PLoS ONE 3(5): e2201. doi:10.1371/journal.pone.0002201