Исследование раскрывает механизмы эволюции белков
Исследовательская группа под руководством Питера Волинза из Университета Райса представила прорыв в понимании того, как эволюционируют специфические генетические последовательности, известные как псевдогены. Их статья была опубликована 13 мая в Proceedings of the National Academy of Sciences.
Команда сосредоточилась на расшифровке сложных энергетических ландшафтов деэволюционировавших, предполагаемых белковых последовательностей, соответствующих псевдогенам.
Псевдогены — это сегменты ДНК, которые когда-то кодировали белки, но с тех пор утратили эту способность из-за деградации последовательности — явления, называемого деволюцией. Здесь деволюция представляет собой неограниченный эволюционный процесс, происходящий без обычного эволюционного давления, регулирующего функциональные белок-кодирующие последовательности.
Несмотря на своё неактивное состояние, псевдогены дают представление об эволюционном пути белков.
«Наша статья объясняет, что белки могут деэволюционировать, — сказал Волинз. — Последовательность ДНК может в результате мутаций или других причин потерять сигнал, который говорит ей кодировать белок. ДНК продолжает мутировать, но не обязана приводить к последовательности, способной сворачиваться».
Исследование показало, что накопление мутаций в последовательностях псевдогенов обычно нарушает нативную сеть стабилизирующих взаимодействий, что затрудняет сворачивание этих последовательностей (если бы они транслировались) в функциональные белки.
Однако исследователи наблюдали случаи, когда определённые мутации неожиданно стабилизировали сворачивание псевдогенов ценой изменения их прежних биологических функций.
Они идентифицировали специфические псевдогены, такие как циклофилин А, профилин-1 и белок, подобный убиквитину 2, где стабилизирующие мутации происходили в областях, критически важных для связывания с другими молекулами и выполнения других функций. Это указывает на сложный баланс между стабильностью белка и его биологической активностью.
Более того, исследование подчёркивает динамичную природу эволюции белков, поскольку некоторые ранее псевдогенизированные гены со временем могут восстановить свою белок-кодирующую функцию, несмотря на множественные мутации.
Используя сложные вычислительные модели, исследователи интерпретировали взаимодействие между физическими ландшафтами сворачивания и эволюционными ландшафтами псевдогенов. Их результаты свидетельствуют, что воронкообразный характер ландшафтов сворачивания является следствием эволюции.
«Белки могут деэволюционировать и терять способность к сворачиванию со временем из-за мутаций или других причин, — сказал Волинз. — Наше исследование предлагает первые прямые доказательства того, что эволюция формирует сворачивание белков».
Помимо Волинза, в исследовательскую группу входят ведущий автор, аспирант по прикладной физике Хана Джаафари; научный сотрудник CTBP Карлос Буэно; аспирант Техасского университета в Далласе Джонатан Мартин; Фарук Моркос, доцент кафедры биологических наук UT-Dallas; и исследователь по биофизике CTBP Николас П. Шафер.
Значение этого исследования выходит за рамки теоретической биологии и имеет потенциальное применение в белковой инженерии, отметила Джаафари.
«Было бы интересно увидеть, сможет ли кто-нибудь в лаборатории подтвердить наши результаты, чтобы понять, что происходит с псевдогенами, которые были более физически стабильны, — сказала Джаафари. — У нас есть идея, основанная на нашем анализе, но было бы убедительно получить экспериментальное подтверждение».