A system-level, molecular evolutionary analysis of mammalian phototransduction

Abstract

Phototransduction is the biochemical process by which a light stimulus is converted to a neuronal signal. The process functions through complex interactions between many proteins, which work in concert to tightly control the dynamics of the photoresponse. The primary aim of this thesis is to describe how the topology and kinetics of these interactions have given rise to detectable patterns of molecular evolution. To this end, a secondary aim is to develop a comprehensive mathematical model of mammalian phototransduction, first through the improvement of an existing model of the amphibian system and then through the re-tuning of that model to fit mammalian data. The results show a striking importance of the signal recovery-related proteins in shaping the photoresponse. This is reflected in relaxed evolutionary constraint on those proteins that exert the greatest dynamic influence. Meanwhile, the proteins most central to the process, while less important dynamically, are strongly constrained due to their essentiality in proper signal transduction.

La fototransducció és el procés bioquímic pel qual un estímul de llum es converteix en un senyal neuronal. El procés funciona a través d'interaccions complexes entre moltes proteïnes, que funcionen en conjunt per controlar estretament la dinàmica de la fotoresposta. L'objectiu principal d'aquesta tesi és descriure com la topologia i la cinètica d'aquestes interaccions han donat lloc a patrons detectables d'evolució molecular. Amb aquesta finalitat, un objectiu secundari és el desenvolupament d'un model matemàtic integral de la fototransducció en mamífers, primer a través de la millora d'un model existent del sistema d'amfibis i després a través de la refinament d'aquest model per ajustar-lo a les dades de mamífers. Els resultats mostren una importància notable de les proteïnes relacionades amb la recuperació del senyal en la fotoresposta. Això es reflecteix en una relaxació de les constriccions evolutives en les proteïnes que exerceixen la major influència dinàmica. Alhora, les proteïnes més centrals per al procés, tot i essent menys importants dinàmicament, es troben fortament limitades degut a la seva essencialitat en la correcta transducció de senyal.