Neste trabalho estudamos a origem e evolução de novas combinações de domínios protéicos (arquiteturas) em proteínas bacterianas contendo domínios de três folds relacionados, conhecidos como proteínas ligadoras de substratos (SBPs), que participam de processos de transporte e transdução de sinal. Com base na reclassificação das famílias nestes três folds, identificamos famílias cujos membros participam tanto de funções de transdução de sinal como de transporte, demonstrando uma rápida mudança de contexto funcional dentro de uma mesma família. Muitas destas famílias de SBPs são codificadas por genes vizinhos a genes que codificam proteínas com um ou mais domínios da superfamília Cache. A interação física dos domínios SBP e Cache já foi demonstrada em alguns desses sistemas e nossa análise sugere que algumas das fusões de SBPs periplasmáticos com domínios efetores de transdução de sinal teriam se originado da simplificação de sistemas de três ou mais componentes contendo pares cognatos SBP-Cache. Embora os fenômenos descritos aqui estejam limitados à mudança de função recente de SBPs em famílias destes folds encontradas apenas em procariotos, fica claro que a flexibilidade dos SBPs, que são capazes de se ligar a muitos solutos diferentes e, em consequência, sofrer grandes rearranjos estruturais que transmitem informação para proteínas parceiras, é continuamente re-utilizada em processos que envolvem interações proteína-proteína intermediárias, que ainda são, na maior parte, desconhecidas. A análise detalhada destas interações têm potencial para prover mais conhecimento sobre a evolução de complexos protéicos e vias de sinalização, com potencial para aplicação em campos de bioengenharia e biologia de sistemas

We study the origin and evolution of three related folds, collectively known as substrate-binding proteins (SBPs), in novel protein domain architectures, that part in transport and signal transduction process in prokaryotes. We propose a new classification of families within these three folds, and identified families whose members work on both signal transduction and transport that shows a repeated instances of gain and change of function within these protein families. Many of these SBP genes are found to be located close to genes that encode proteins with one domain of the Cache superfamily, most likely forming operons that combine SBP and sensors in a stable evolutionary unity. Physical interaction of some SBP and Cache domains has been demonstrated for a few of these systems and our analysis show that fusions of extracellular SBPs to cytoplasmic effector domains of two component systems and related signal transduction proteins most likely originated from the fusion of SBP and sensor proteins, accompanied by deletion of a Cache domain, leading to streamlining of a system of three or two genes containing cognate SBP-Cache pairs. While the phenomena we describe are limited to the neofunctionalization of SBPs within prokaryotic families of these folds, the flexibility of the SBP domains, which are able to bind many different ligands and undergo wide structural rearrangements that transmit information to partner proteins, is being reused through a process that might involve yet unknown intermediary protein interactions. The detailed analysis of these interactions is likely to reveal novel insights into the evolution of such protein complexes, providing support for advances in bioengineering of biological pathways and systems biology.