Новые белки «из ничего»

Белки — ключевой компонент всех современных форм жизни. Например, гемоглобин переносит кислород в нашей крови, белки фотосинтеза в листьях растений преобразуют солнечный свет в энергию, а ферменты грибов помогают варить пиво и печь хлеб. Исследователи давно изучают вопрос о том, как белки мутируют или возникают в течение тысячелетий. Мысль о том, что совершенно новые белки — и, вместе с ними, новые свойства — могут появляться практически из ничего, десятилетиями казалась немыслимой, в духе высказывания греческого философа Парменида: «Из ничего не возникает ничего» (ex nihilo nihil fit). Исследователи из Мюнстерского университета (Германия) совместно с коллегами из США и Австралии реконструировали, как эволюция формирует структуру и функцию вновь возникшего у мух белка. Этот белок необходим для мужской фертильности. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.

До сих пор предполагалось, что новые белки возникают из уже существующих — путём дупликации соответствующих генов и серии небольших мутаций в одной или обеих копиях генов. Однако за последние десять лет сформировалось новое понимание эволюции белков: белки могут также развиваться из так называемой некодирующей ДНК — той части генетического материала, которая в норме не производит белки — и впоследствии превращаться в функциональные клеточные компоненты. Это удивительно по нескольким причинам: долгие годы считалось, что для выполнения функций белки должны принимать высокоразвитую геометрическую форму (3D-структуру). Также предполагалось, что такая форма не может развиться из случайно возникшего гена, а требует сложной комбинации аминокислот, позволяющей этому белку существовать в функциональной форме.

Несмотря на десятилетия попыток, исследователям во всём мире ещё не удалось сконструировать белки с желаемыми 3D-структурами и функциями, что означает, что «код» формирования работающего белка по существу неизвестен. Пока эта задача остаётся загадкой для учёных, природа оказалась более искусной в создании новых белков. Группа исследователей под руководством профессора Эриха Борнберга-Бауэра из Института эволюции и биоразнообразия Мюнстерского университета, сравнивая недавно проанализированные геномы многочисленных организмов, обнаружила, что виды различаются не только за счёт дублированных белковых генов, адаптированных в ходе эволюции. Кроме того, белки постоянно образуются de novo (заново) — то есть без какого-либо родственного белка-предшественника, прошедшего процесс отбора.

Подавляющее большинство этих de novo белков бесполезны или даже слегка вредны, поскольку могут мешать существующим белкам в клетке. Такие новые белки быстро теряются через несколько поколений, так как организмы, несущие новый ген, кодирующий белок, имеют сниженную выживаемость или репродукцию. Однако некоторые избранные de novo белки оказываются полезными. Эти белки интегрируются в молекулярные компоненты клеток и в конечном итоге, после миллионов лет небольших изменений, становятся незаменимыми. В этом контексте возникает важный вопрос: как выглядят такие новые белки при «рождении»? Как они меняются и какие функции принимают как «новые участники игры»? Международная команда исследователей во главе с группой профессора Борнберга-Бауэра в Мюнстере детально ответила на этот вопрос для белка Goddard у плодовой мушки, который необходим для мужской фертильности.

Исследование велось по трём взаимосвязанным направлениям на трёх континентах. В Колледже Святого Креста в Массачусетсе (США) доктор Праджал Патель и профессор Джефф Финдлей с помощью редактирования генома CRISPR/Cas9 показали, что самцы мух, не производящие Goddard, стерильны, но в остальном здоровы. Тем временем доктор Андреас Ланге и аспирант Бреннен Химс из группы профессора Борнберга-Бауэра использовали биохимические методы, чтобы предсказать форму нового белка у современных мух. Затем они использовали эволюционные методы для реконструкции вероятной структуры Goddard около 50 миллионов лет назад, когда белок впервые возник. Результат оказался неожиданным: «Белок-предок Goddard уже выглядел очень похоже на те, что существуют у современных видов мух, — объясняет Эрих Борнберг-Бауэр. — С самого начала Goddard содержал некоторые структурные элементы, так называемые альфа-спирали, которые считаются необходимыми для большинства белков». Чтобы подтвердить эти выводы, действие переместилось в Австралийский национальный университет в Канберре, где доктор Адам Дамри и профессор Колин Джексон использовали интенсивные компьютерные симуляции для проверки предсказанной формы белка Goddard. Они подтвердили структурный анализ доктора Ланге и показали, что Goddard, несмотря на свой «юный возраст», уже довольно стабилен — хотя и не так стабилен, как большинство белков мух, которые, как считается, существуют дольше, возможно, сотни миллионов лет.

Результаты согласуются с несколькими другими современными исследованиями, которые показали, что геномные элементы, из которых возникают белок-кодирующие гены, активируются часто — десятки тысяч раз у каждой особи. Затем эти фрагменты проходят сортировку в процессе эволюционного отбора. Бесполезные или вредные — подавляющее большинство — быстро отбрасываются. Но те, что нейтральны или слегка полезны, могут быть оптимизированы в течение миллионов лет и превращены во что-то полезное.