Эволюционная «доводка» создала сложные белки с разнообразными функциями
Воссоздав древний белок и проследив, как он постепенно менялся на протяжении огромных периодов времени, породив десятки современных потомков, ученые показали, как эволюция «доводит» ранние формы, создавая впечатление, что сложность возникала много раз независимо.
Клетки человека и других животных содержат тысячи белков с функциями настолько разнообразными и сложными, что часто трудно понять, как они могли эволюционировать от нескольких белков-предков.
Исследование, проведенное группой биолога Джозефа У. Торнтона из Университета Орегона и Медицинского института Говарда Хьюза, подробно описано в октябрьском выпуске онлайн-журнала с открытым доступом PLoS Biology.
Команда изучила большое семейство родственных белков — ядерные рецепторы. Эти рецепторы регулируют развитие, размножение, метаболизм и рак, запуская экспрессию конкретных генов в ответ на гормоны, питательные вещества и другие химические сигналы.
Гипотеза состояла в том, что предковый белок был более простым и не требовал активации химическим сигналом. Это означало бы, что сложная способность связываться с сигналом и регулироваться им эволюционировала независимо во многих линиях.
Однако, используя базы данных молекулярных последовательностей, функций и атомных структур сотен современных рецепторных белков, исследователи реконструировали биохимические характеристики предкового ядерного рецептора, существовавшего до последнего общего предка всех животных (около миллиарда лет назад).
Они обнаружили, что предковый рецептор на самом деле требовал активации химическим сигналом — скорее всего, жирной кислотой. Атомные механизмы, позволявшие белку активироваться, были консервативны практически у всех современных потомков.
Проследив, как эволюция «доводила» древнюю структуру, ученые выяснили:
- В разных линиях рецепторы обретали партнеров — новые гормоны или сигналы — из-за нескольких мутаций, слегка менявших размер и форму полости для связывания.
- Другие члены семейства стали независимыми от химических сигналов. Это произошло, когда простые мутации повысили внутреннюю стабильность белков, устранив необходимость во взаимодействии с сигналом для активации экспрессии генов.
«Если просто сравнить рецепторы у современных людей, эволюционные события, в результате которых они могли возникнуть, неочевидны. Может показаться, что сложные функции каждого белка эволюционировали независимо. Но когда мы проследили эти белки от их предка во времени, мы увидели, как эволюция "доводила" древнюю форму, создавая невероятное разнообразие функций и способность взаимодействовать со множеством разных химических сигналов», — пояснил Торнтон.
Для точной реконструкции предкового белка команда собрала новые данные о его потомках у видов, рано отделившихся от других животных (губок, морских анемонов). У губок нашли всего два таких белка (у человека — 48). Построив эволюционное древо всего семейства, ученые выяснили, что белки губок ответвились ближе всего к корню, что дало представление о состоянии предка.
Исследователи выделили рецепторы из губки Amphimedon queenslandica (Большой Барьерный риф) и показали, что они, как и другие рано эволюционировавшие рецепторы, связывают жирные кислоты. Вычислительные методы предсказали их трехмерную атомную структуру и показали, что связывание происходит в полости, очень похожей на таковую у некоторых рецепторов млекопитающих.
«Ядерные рецепторы — отличный пример для изучения эволюции белков. Вероятно, другие белковые семейства при детальном изучении окажутся диверсифицированными путем аналогичной "доводки". То, что выглядит как новшество, на деле эволюционировало путем внесения тонких изменений в нечто очень древнее», — заключил Торнтон.