Белковое оригами: быстрые "сборщики" оказались лучшими
Эволюционная история белков показывает, что их сворачивание (фолдинг) является важным фактором. Особенно ключевую роль играет скорость фолдинга. К такому выводу пришли исследователи из Гейдельбергского института теоретических исследований (HITS) и Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн на основе компьютерного анализа.
На протяжении почти четырёх миллиардов лет наблюдалась тенденция к более быстрому сворачиванию. «Причина может заключаться в том, что это делает белки менее склонными к агрегации (слипанию) и позволяет им быстрее выполнять свои функции», — говорит руководитель анализа доктор Фрауке Гратер (HITS). Результаты опубликованы в PLoS Computational Biology.
Эволюционный тренд и "Большой взрыв"
Чтобы изучить эволюционные стратегии улучшения фолдинга, учёные с помощью компьютерного анализа исследовали скорость сворачивания всех известных на сегодня белков. Они выявили следующий тренд: на протяжении большей части эволюции белков скорость фолдинга возрастала — от архей до многоклеточных организмов.
Однако 1,5 миллиарда лет назад появились более сложные структуры, что вызвало биологический «Большой взрыв». Это привело к возникновению белковых структур, которые сворачиваются медленнее. Тем не менее, общая тенденция к увеличению скорости в «белковом оригами» оставалась доминирующей, независимо от длины аминокислотных цепей.
Междисциплинарный подход и методология
В своей работе исследователи использовали междисциплинарный подход, сочетающий генетику и биофизику. Это первый анализ, который объединил все известные белковые структуры и геномы со скоростями фолдинга как физическим параметром.
Анализ 92 000 белков и 989 геномов потребовал вычислительных методов:
- Классификация известных белков из Protein Database (PDB) по возрасту.
- Идентификация в геномах белковых последовательностей с аналогичной структурой фолдинга и их сравнение на временной шкале.
- Применение математической модели для предсказания скорости фолдинга белков с использованием параметра Size-Modified Contact Order (SMCO). Этот метод предсказывает, как быстро ключевые точки белка соединятся для завершения структуры.
«Наши результаты показывают, что в начале были белки, которые не могли хорошо сворачиваться. Со временем природа улучшила фолдинг, что в итоге позволило развиться более сложным структурам», — резюмирует доктор Гратер.
Дополнительные факторы и будущее
Исследование также показало, что в ходе эволюции аминокислотные цепи, из которых состоят белки, стали короче, что также способствовало увеличению скорости свёртывания.
«С момента появления эукариот (организмов с клеточным ядром) фолдинг белков стал несколько менее критичным», — отмечает Фрауке Гратер. С тех пор природа разработала сложные механизмы (например, шапероны) для предотвращения и исправления ошибок сворачивания. «Создаётся впечатление, что природа допускает некоторый уровень неупорядоченности, чтобы развить структуры, которые иначе не могли бы возникнуть».
Постоянно растущее количество известных геномов и белковых структур расширяет базу для дальнейшего компьютерного анализа эволюции белков. В будущем это может помочь ответить на вопрос, стали ли белки за миллиарды лет своей истории более стабильными или более гибкими.