Правдоподобные шаги к эволюции ключевой белковой укладки РНК-полимераз

Сложенная область, расположенная глубоко внутри ферментов, центральных для всех форм жизни, могла образоваться легче, чем считалось ранее, выяснили биологи из RIKEN.

РНК-полимераза — это фермент, катализирующий копирование генетических инструкций, хранящихся в ДНК, в рабочие копии матричной РНК. Каждая РНК-полимераза состоит из множества полипептидов и содержит более 3000 аминокислот.

Сюнсукэ Тагами из Центра динамических исследований биосистем RIKEN давно интересуется происхождением РНК-полимераз. "Мне всегда было интересно, как такой гигантский фермент появился на древней Земле", — вспоминает он.

Тагами начал разгадывать эту тайну, исследуя правдоподобные эволюционные шаги к формированию ключевой центральной области РНК-полимеразы. Эта область известна как двойной ψ β-бочонок (DPBB), поскольку имеет два соседних симметричных участка, в которых белковая цепь свернута в переплетенную бочкообразную структуру. DPBB обнаружен в нескольких ключевых белках, что предполагает его раннюю эволюцию в происхождении жизни.

Теперь Тагами и четверо его коллег из RIKEN вместе с сотрудниками из Франции обнаружили, что укладка DPBB может быть построена всего из семи из 20 аминокислот, встречающихся в современных белках. Они также выяснили, что эти аминокислоты могут кодироваться лишь небольшим подмножеством молекулярных кодирующих элементов современного генетического кода. Это облегчает понимание того, как эта важнейшая белковая укладка могла возникнуть на самых ранних этапах эволюции.

Эксперименты команды продемонстрировали, что DPBB могут возникать из комбинации двух идентичных небольших участков белка, что предполагает, что древняя свернутая структура произошла от гомодимера короткого неструктурированного пептида.

Исследователи были удивлены тем, насколько легко их реконструкционные эксперименты увенчались успехом. Это соответствует требованию, чтобы самые ранние белковые укладки могли формироваться без помощи сложного молекулярного аппарата современной жизни. Необходимые участки белка также обладают интересной способностью находить друг друга и, следовательно, "самоочищаться" в хаотичной смеси других форм.

"Наша работа указывает на то, что свернутые белки могли появиться гораздо легче, чем ранее представляли себе специалисты по белкам", — говорит Тагами.

Его команда сейчас исследует дальнейшие эволюционные шаги к формированию гораздо более крупных, универсальных и тонко регулируемых белков современной жизни. В процессе команда также может узнать приемы для создания новых искусственных белков с потенциальным применением в исследованиях, промышленности и медицине.