Modular evolution of domain repeat proteins. Metal-binding and domain repeats of Metallothioneins in molluscs and chordates

Abstract

Proteins are composed of domains, a well-defined region within a protein that constitutes a stable, independently folding, compact structural unit, and that usually performs a specific function. During protein evolution, domains have been used as a ‘modules’, and the vast majority of the current proteins show a modular organization in which two or more domains are combined. While the creation of multi-domain proteins through shuffling different domains has been studied extensively, the evolution of proteins made of tandem repeats of a same domain has been less investigated. It is known, for instance, that the fraction of proteins with domain repeats is higher in multicellular organisms than in unicellular organisms, or that proteins with domain repeats seem to be related with stress response functions or with the acquisition of high yielding capacity, but the origin, the genetic mechanisms and the evolutionary forces controlling the expansion of domains repeats in modular proteins are still poorly understood. To investigate the functional and structural evolution of modular proteins with domain repeats, we have chosen the Metallothioneins (MTs) as a case study. MTs are present across all the tree of life and due to their metal-binding ability have been involved in metal homeostasis and detoxification of many organisms. They are modular cysteine-rich proteins that bind metal ions through functionally and structurally independent domains that form metal-thiolate clusters. Many MTs are bi-modular proteins made of a tandem repetition of two similar (although not identical) metal-binding domains. There also are large multi-modular MTs that have expanded the number of their domain repeats, and therefore, their metal-binding capacity. Studying the evolution of metallothionein domains in several phyla can help us to understand, at some level, the evolvability of organisms to adapt to new environmental conditions. In our studies we have identified, analysed, characterized and compared many MTs from different groups of selected organisms (chordates and molluscs) in order to study their domain composition and arrangement, and to untangle the evolution of their modular organization.

Las proteínas están compuestas por dominios, una región bien definida dentro de una proteína que constituye una unidad estructural compacta, estable y que se pliega independientemente, y que normalmente realiza una función específica. Durante la evolución de las proteínas, los dominios se han utilizado como "módulos", y la gran mayoría de las proteínas actuales muestran una organización modular en la que se combinan dos o más dominios. Si bien la creación de proteínas de múltiples dominios mediante la combinación aleatoria de diferentes dominios se ha estudiado ampliamente, la evolución de proteínas compuestas de repeticiones en tándem de un mismo dominio se ha investigado menos. Se sabe, por ejemplo, que la fracción de proteínas con dominios repetidos es mayor en organismos multicelulares que en organismos unicelulares, o que las proteínas con dominios repetidos parecen estar relacionadas con funciones de respuesta al estrés o con la adquisición de una alta capacidad productiva, pero el origen, los mecanismos genéticos y las fuerzas evolutivas que controlan la expansión de las repeticiones de dominios en las proteínas modulares aún son poco conocidos. Para investigar la evolución funcional y estructural de las proteínas modulares con dominio repetido, hemos elegido las metalotioneínas (MT) como caso de estudio. Los MT están presentes en todo el árbol de la vida y, debido a su capacidad de unión a metales, han estado involucrados en la homeostasis de metales y la desintoxicación de muchos organismos. Son proteínas modulares ricas en cisteína que se unen a iones metálicos a través de dominios funcional y estructuralmente independientes que forman grupos de tiolatos metálicos. Muchos MT son proteínas bimodulares hechas de una repetición en tándem de dos dominios de unión a metales similares (aunque no idénticos). También hay grandes MT multimodulares que han ampliado el número de repeticiones de su dominio y, por lo tanto, su capacidad de unión a metales. El estudio de la evolución de los dominios de las metalotioneínas en varios filos puede ayudarnos a comprender, hasta cierto punto, la capacidad de evolución de los organismos para adaptarse a nuevas condiciones ambientales. En nuestros estudios hemos identificado, analizado, caracterizado y comparado muchos MT de diferentes grupos de organismos seleccionados (cordados y moluscos) para estudiar la composición y disposición de sus dominios y desentrañar la evolución de su organización modular.