Evolutionary history of ATP-binding cassette proteins

Resumo

As proteínas de cassete de ligação de ATP (ABC, do inglês ATP-Binding Cassette) são encontradas em todos os genomas sequenciados e evoluíram profundamente na árvore filogenética da vida. As proteínas ABC formam uma das maiores famílias de proteínas homólogas, com a maioria envolvida no transporte de substratos através de membranas biológicas, e alguns membros citoplasmáticos que regulam processos essenciais como a tradução. O esquema de classificação predominante das proteínas ABC é derivado de membros humanos, mas o número crescente de genomas completamente sequenciados permite reavaliar esse paradigma à luz da história evolutiva da superfamília de proteínas ABC. À medida que estudamos a diversidade de substratos, mecanismos e papéis fisiológicos das proteínas ABC, o conhecimento das relações evolutivas destaca similaridades e diferenças que podem ser atribuídas a ramos específicos na divergência de proteínas. Enquanto alinhamentos e árvores construídos sobre a variação natural de sequência explicam a divergência evolutiva das proteínas ABC, experimentos de alto rendimento e sequenciamento de nova geração que criam variação de sequência experimental são instrumentais na identificação de restrições funcionais. A combinação de variação de sequência natural e experimentalmente produzida permite um estudo mais amplo e racional da função e dos papéis fisiológicos das proteínas ABC.

Abstract

ATP-binding cassette (ABC) proteins are found in every sequenced genome and evolved deep in the phylogenetic tree of life. ABC proteins form one of the largest homologous protein families, with most being involved in substrate transport across biological membranes, and a few cytoplasmic members regulating in essential processes like translation. The predominant ABC protein classification scheme is derived from human members, but the increasing number of fully sequenced genomes permits to reevaluate this paradigm in the light of the evolutionary history the ABC-protein superfamily. As we study the diversity of substrates, mechanisms, and physiological roles of ABC proteins, knowledge of the evolutionary relationships highlights similarities and differences that can be attributed to specific branches in protein divergence. While alignments and trees built on natural sequence variation account for the evolutionary divergence of ABC proteins, high-throughput experiments and next-generation sequencing creating experimental sequence variation are instrumental in identifying functional constraints. The combination of natural and experimentally produced sequence variation allows a broader and more rational study of the function and physiological roles of ABC proteins.