Forsknings nyheter: Når man graver dypt i biologi: "Ting blir enda mer komplisert når du ser nærmere etter"
Ann Gauger 18 januar 2017; oversatt fra: http://www.evolutionnews.org/2017/01/digging_deep_bi103438.html

Bilde 1. En spade med jord og gress

"Som tilfellet ofte er i biologi," har forskeren og kunstneren David Goodsell observert, "ting blir enda mer komplisert når du ser nærmere." Og det er sannheten.
Gårsdagen startet som en vanlig tirsdag. Da jeg tok fatt på å lese en fersk artikkel publisert i tidsskriftet Cell, " Nuclear Lokalisering av mitokondrie TCA syklus Enzymer som et avgjørende skritt i pattedyr zygotiske Genome Aktivering " av R Nagaraj et al, lenke. Den rapporterte noe ganske rart som fanget interessen min. Veldig tidlige embryoer (på to- eller fire cellers stadiet, i henholdsvis mus eller menneske) gjennomgå en kritisk overgang: de må gå fra å stole på RNA og proteiner lastet inn i egget før befruktning av moren, til å lage sin egen RNA og protein.
Fenomenet kalles embryonal genom-aktivering. For å aktivere sine genomer, må embryoer fjerne mors og fars epigenetiske modifikasjoner og skape nye som passer til det embryonale genomet.

Stopp og tenk. Det er bemerkelsesverdig - det er en god del informasjon som formidles til genomet av disse epigenetiske endringene, og vi vet lite om hvordan det skjer. Det vi vet i henhold til forfatterne, er at:
Slike større omprogrammering av genomet krever metabolitter som α-ketoglutarat, essensiell for protein og DNA-demetylering, acetyl-CoA som er nødvendig for protein acetylering, [og] ATP for fosforylering av substrater.
Normalt er disse metabolitter er laget av spesialiserte enzymer som er en del av tri-karboksyl-syre (TCA) syklusen. TCA-syklusen finner sted i mitokondriene, spesialiserte organeller som produserer energi til cellen. Mitokondriene tar opp en forbindelse som kalles pyruvat, som deretter omdannes til acetyl-CoA av enzymet pyruvat dehydrogenase (PDH), og den resulterende acetyl-CoA kommer inn i TCA-syklusen, for å fremstille de andre metabolitter og ATP.

Men disse tidlige stadiers embryoer er metabolsk inaktive i forhold til senere stadier. Deres mitokondrier er kondensert og lite enzymaktivitet er til stede. Så hvor kommer metabolittene fra? Pyruvat er absolutt nødvendig for at utviklingen skal fortsette. Den kan komme fra flytende substans i egglederen - det kan importeres av embryo. PDH er også absolutt nødvendig for utvikling. Men hvor foregår PDH enzymaktivitet om ikke i mitokondriene? Og hva med TCA-syklus enzymer?

Her er det som fanget min oppmerksomhet. Enzymene er lokalisert i kjernen i en tidlig fase av utviklingen, der metabolittene trenges for omprogrammering av genomet, snarere enn mitokondriene. Nå som ville være overraskende nok - enzymer som hver lavere grads biologi-student lærer, er i mitokondriene, er funnet i kjernen tidlig i utviklingen. Det er bemerkelsesverdig. Og nå er de involvert i embryonal genom aktivering. Men så gravde jeg dypere.
Det falt meg inn å unders over hvor vanskelig det ville være å få disse enzymene inn i kjernen, så jeg så opp pyruvat dehydrogenase og fant til min forbauselse at det ikke er ett enzym, men et enormt kompleks av tre forskjellige enzymatiske aktiviteter, gruppert sammen på en kube -formet kjerne av 24 enheter, eller alternativt en dodecahedral kjerne på 60 enheter. Enzymene arbeidet sammen for å få pyruvat til å bli acetyl CoA i en tre-trinns prosess, som overlapper hverandre, ettersom reaksjonen forløper. Se her for å se pyruvat dehydrogenase beskrevet av David Goodsell

Bilde 2: Pyruvat dehydrogenase.

La meg understreke: Dette er en kjerne-enzymatisk aktivitet. TCA-syklusen er viktig for prosessen, ved hvilken celler som lager ATP, energi-valutaen i cellen. PDH er linken som kobler glykolyse, nedbryting av sukker, til TCA syklusen. Uten det ville cellene få mye mindre energi fra nedbryting av sukker. Men det er også viktig for embryoutvikling forbi to- til fire-cellers stadiet (i mus og mennesker, og antagelig andre pattedyr).

Det er også viktig for bakterier som E. coli, der den har en lignende struktur og tre-trinns reaksjon. Dette er en gammelt enzym kompleks, men likevel av stort raffinement.
Hvordan kunne tidlige celler ha satt sammen en slik struktur, og bringe sammen separate enzym-aktiviteter til å samarbeide? Å få enzymer til å slå seg sammen i multi-subenhet- strukturer er ikke trivielt, og krever flere side-kjeder interaksjoner og tredimensjonal form. Enn videre, blir genene som koder for disse enzymatiske aktiviteter av PDH-komplekset gruppert sammen i et enkelt operon i E. coli. De er naboer, side-ved-side i E. coli genomet, og sam-uttrykt. Selvfølgelig, er det hvordan en intelligent designer ville gjøre det. Hva er vitsen med en del av et kompleks? Lag enzymene sammen og sett dem sammen til en fabrikk for å lage om pyruvat til acetyl CoA - det er mye mer effektiv.

Bilde 3. ATP-motoren

Jeg startet dagen ved å lure på epigenetikk, og avdekket noen bemerkelsesverdige ting - omprogrammering av genomer, tilsynelatende mobile enzymkomplekser, og operoner. Informasjon, kompleksitet og orden. Det var en ikke-så-ordinær tirsdag.
Oppdatering: Siden jeg skrev dette stykket, oppdaget jeg at i henhold til Voet og Voet biokjemi lærebok, utfører PDH-komplekset fem enzymatiske aktiviteter for å produsere acetyl-CoA, ikke tre, og de sier at PDH-komplekset er det største kjente eukaryote enzymkomplekset.