Воскрешенные белки, альтернативные истории и единственный путь к современной физиологии

Джо Торнтон занимается воскрешением. Он возвращает к жизни не людей, домашних питомцев или даже протеобактерий. Торнтон специализируется на реконструкции давно исчезнувших белков. Его искусные попытки воссоздать путь, который привел нас в настоящее, завершились следующим открытием: другого пути в «здесь и сейчас» не существует.

«Если наши результаты окажутся общими, — сказал Торнтон, профессор экологии, эволюции и генетики человека в Чикагском университете, комментируя свою недавнюю публикацию в Nature, — а мы считаем, что, вероятно, так и есть, то многие системы нашего тела работают именно так из-за очень маловероятных случайных событий, произошедных в нашем глубоком эволюционном прошлом».

Торнтон и его коллеги реконструируют последовательности древних белков с 2001 года. В статье от июня 2014 года он описывает усилия, которые он и Майкл Хармс приложили, чтобы воссоздать современный глюкокортикоидный рецептор (GR) из его предшественника, существовавшего 450 миллионов лет назад, и то, что они обнаружили, добившись успеха.

GR — очень распространенный в современном мире белок. Он встречается у всех костных позвоночных. GR — это рецептор гормона, ответственный за обнаружение присутствия кортизола. Сам кортизол известен чем-то очень современным. Его часто называют виновником стресса — мощного и крайне распространенного психологического и биологического явления.

Стресс, как и налоги, — часть стоимости жизни. Люди не могут физически выжить без стрессовой реакции.

Кортизол и стрессовая реакция влияют на метаболизм и развитие. Они помогают регулировать иммунные реакции организма. Это может быть критически важно для выживания. Например, люди, страдающие трудно контролируемой астмой, находятся в состоянии чрезмерного воспаления. Чтобы помочь «охладить» их гиперактивную иммунную систему, этим пациентам регулярно вводят глюкокортикоиды, которые связываются с рецептором GR почти так же, как кортизол. С другой стороны, стрессовая реакция, опосредованная кортизолом, может быть вредной, если она затягивается. В целом, люди, которые не могут мобилизовать кортизол, тяжело заболевают. Так что нравится нам это или нет, стресс останется с нами, пока существуем мы.

Учитывая, что мы сражались, убегали и залечивали раны на пути к современной форме с кортизолом в качестве спутника, логично предположить, что рецепторы GR эволюционировали вместе с нами. И это действительно так. В 2006 году эта же команда обнаружила, что для достижения GR его текущего состояния потребовались две очень специфические мутации. Первая мутация даже не повлияла на то, как функционировал белок GR. Однако она сделала GR более устойчивым. Эта первая «пермиссивная мутация» позволила GR позже претерпеть мутацию, меняющую функцию, которая сделала его более чувствительным к присутствию кортизола. Вторая необходимая мутация была похожа на первую. Она не меняла функцию GR, но по форме GR был лучше подготовлен к тому, чтобы впоследствии стать хорошим рецептором для гормона стресса. Эта вторая пермиссивная мутация, кстати, была столь же статистически маловероятной и столь же необходимой, как и первая.

Чтобы выяснить, сколько эволюционных путей к этим мутациям существует, Торнтон и его коллеги отправили свой воскрешенный GR — небольшой кластер из шести белков, который обычно находится внутри клеточных ядер — в «библиотеку».

Этот подход «скрининга библиотеки» включал создание огромного количества нефункциональных мутантных вариантов древнего GR. Затем этим нефункциональным белкам позволяли «спастись» другими мутациями, которые могли бы восстановить их функциональность. Если «спасающая мутация» позволяла белку GR из библиотеки снова функционировать, её вводили обратно в наш собственный древний белок GR, чтобы проверить, может ли она восстановить GR до его современного уровня функциональности. Они это сделали — точнее, одна мутация это сделала.

«В библиотеке мы нашли историческую пермиссивную замену, — рассказал Торнтон Astrobiology Magazine. — Мы восстановили замены, которые фактически произошли в истории. Но мы не нашли никаких других, несмотря на поиски среди тысяч и тысяч вариантов».

На вопрос «Сколько эволюционных путей ведут к современному GR?» поразительный ответ был: «Один». Из огромного количества возможных вариантов только один конкретный набор мутаций «спас» наш древний белок GR и привел его к современной форме. Единственные две мутации, которые действительно преуспели, — это те же самые, которые есть у нас сейчас.

«Среди огромного числа альтернативных возможных историй не было других пермиссивных мутаций, которые могли бы открыть эволюционный путь к современному глюкокортикоидному рецептору», — сказал Торнтон.

Вероятность того, что это произойдет случайным образом в необходимом порядке, астрономически мала.

«Если бы эволюционную историю можно было перезапустить с древних исходных точек, мы почти наверняка получили бы радикально другую биологию, чем та, что у нас есть сейчас, — сказал Торнтон. — Этот очень важный белок существует только благодаря причуде судьбы».

В настоящее время генетические события в значительной степени непредсказуемы. По прихоти судьбы, или даже двум, у всех нас есть функциональные рецепторы GR, рассеянные миллиардами внутри наших тел и закрепившиеся в мозге.

Возможность того, что ни в одном другом сценарии вещи не функционировали бы так, как они — как мы, как жизнь — функционируют сегодня, проливает интересный свет на жизнь на Земле и за её пределами.

«Если эволюция действительно зависит от этих маловероятных случайных событий, которые открывают пути к новым видам биологической организации, то это означает, что должно быть очень трудно предсказать, каковы могут быть результаты эволюционных процессов, — сказал Торнтон Astrobiology Magazine, — И какие формы примет жизнь на других планетах».

Исследуя альтернативные эволюционные пути GR и обнаружив, что все, кроме одного, ведут в тупик, наука, возможно, начала доказывать, что нынешняя форма жизни обязана своим существованием серии счастливых событий.