Восстановление эволюционной истории детоксифицирующих ферментов

Ферменты, содержащие флавин-монооксигеназы (FMOs), присутствуют у всех четвероногих и расщепляют токсичные вещества. У человека пять генов FMO. Четыре из них окисляют специфические группы (гетероатомы) в токсичных молекулах. Однако FMO5 катализирует другую реакцию — вставляет атом кислорода между двумя атомами углерода в кетоновых или альдегидных соединениях.

Биохимики из Университета Гронингена восстановили (реконструировали) предковые гены всех FMO четвероногих, чтобы выяснить, как произошло это расхождение. Результаты опубликованы 24 февраля в Nature Communications.

Эволюционное древо и реконструкция

Исследователи построили эволюционное древо FMO, используя последовательности ферментов из всех живых организмов. Оно показало, что FMO1-4 млекопитающих тесно связаны, а FMO5 несколько отличается. Поскольку все четвероногие имеют эти пять генов, можно было примерно определить, когда предковый ген разошелся на две версии.

Ученые вычислили наиболее вероятную аминокислотную последовательность для:

• общего предкового фермента всех пяти FMO,
• предков FMO1-4,
• предка FMO5.

Затем эти гены были синтезированы и экспрессированы в E. coli для получения ферментов и изучения их активности.

Ключевые результаты

• Предковые ферменты FMO1-4 и FMO5 проявляли активность, аналогичную их современным версиям.
• Общий предковый фермент для всех пяти FMO мог катализировать обе реакции: окисление гетероатомов и кетонов/альдегидов.
• Это указывает, что современные гены просто потеряли одну из этих функций.
• Изменения всего в трех аминокислотах в структуре фермента объясняют разницу в активности.

Выводы и значение

История этих ферментов довольно прямолинейна: предковый ген мог выполнять обе функции. После его дублирования избыточные копии смогли свободнее эволюционировать, что привело к появлению разных ферментов для двух функций.

Расхождение произошло, когда четвероногие вышли из океана на сушу. Растения производят много токсичных метаболитов, поэтому у животных, способных эффективно расщеплять эти токсины, было селективное преимущество.

Исследование также показало, что кофактор, который используют ферменты, важен для типа катализируемой реакции. Аминокислоты, не входящие в активный центр, но взаимодействующие с кофактором, оказались критическими. Обычно кофакторы являются лишь донорами электронов, но в данном случае они определяют тип активности, что уникально.

Эти знания важны для манипулирования детоксифицирующими ферментами или для разработки ингибиторов, которые уменьшали бы расщепление лекарств.