Изучать человеческие болезни на дрожжах? Возможно, предполагает исследование белков
Молекулярные механизмы работы белков удивительно схожи у широкого круга организмов — от человека до грибов и растений. К такому выводу пришли исследователи под руководством эволюционного биолога из Мичиганского университета Цзяньчжи "Джорджа" Чжана.
Это открытие поднимает возможность использования гораздо более простых организмов, например, дрожжей, для изучения механизмов, лежащих в основе человеческих болезней.
Исследование будет опубликовано онлайн в Proceedings of the National Academy of Sciences на неделе с 9 мая.
Белки состоят из сотен или тысяч аминокислот. Многие исследования сравнивают последовательности конкретного белка у разных видов, чтобы понять, как он менялся со временем. Однако такие исследования показывают лишь изменения в последовательности белка. Измерить и сравнить изменения в функции белка сложнее из-за разнообразия их ролей.
Чжан и его коллеги предложили использовать белково-белковые взаимодействия (PPI) в качестве индекса функции белка для сравнения между видами и измерения скорости эволюции функции.
Методология исследования
Исследователи начали с Saccharomyces cerevisiae — пекарских дрожжей, чьи PPI хорошо изучены. Они взяли пары взаимодействующих белков в S. cerevisiae и проверили, взаимодействуют ли те же белки у родственного вида дрожжей Kluyveromyces waltii, от которого они отделились около 150 миллионов лет назад.
Из 43 пар белков, которые удалось сравнить, все взаимодействия сохранились у обоих видов дрожжей. Скорость эволюции функции на этом отрезке оказалась нулевой.
Затем ученые проанализировали данные других исследований, охватывающих дрожжи, круглого червя Caenorhabditis elegans и млекопитающих (мышь и человек). Объединив все данные, они определили, что скорость эволюции молекулярной функции белка поразительно низка.
Ключевой результат
"По сравнению с эволюцией последовательности, разница примерно в тысячу раз", — сказал Чжан. — "Это означает, что в среднем требуется около тысячи изменений аминокислот в белке, чтобы произошло одно изменение в белково-белковом взаимодействии".
Это имеет биологический смысл, поскольку самые базовые клеточные процессы сходны у широкого спектра видов, а PPI задействованы почти во всех этих процессах. Крайняя консервативность PPI может быть одним из краеугольных камней консервативной природы жизни.
Важное различие и перспектива
Чжан подчеркивает, что хотя молекулярные функции белков очень схожи у разных видов, их физиологические роли и влияние на организм могут сильно различаться.
Например, у человека определенные белки связаны с синдромом Ваарденбурга (глухота, бледная кожа, волосы, глаза). У растения Arabidopsis те же белки присутствуют, но участвуют в реакции на гравитацию.
"Соответствующие белки участвуют в очень разных физиологических процессах, но если их молекулярные функции консервативны, вы все равно можете использовать растения или дрожжи, чтобы понять молекулярные механизмы, вовлеченные в человеческую болезнь", — пояснил Чжан.