Альтернативные пути эволюции, созданные в пробирке
Учёные из Чикагского университета изучили огромный набор генетических вариантов древнего белка, обнаружив множество других путей, по которым могла пойти эволюция, и выявив ключевую роль случайности в эволюционной истории.
Исследование, опубликованное на этой неделе в Nature, впервые применило метод глубокого мутационного сканирования к реконструированным предковым белкам. Эта стратегия позволила сравнить реальный эволюционный путь, пройденный в глубоком прошлом, с миллионами альтернативных маршрутов, которые могли быть, но не были реализованы.
Исходной точкой стала реконструированная версия древнего белка, который около 500 миллионов лет назад приобрёл новую функцию, критически важную для биологии человека сегодня. Учёные синтезировали огромную библиотеку генетических вариантов и проанализировали их функции. Они обнаружили более 800 различных способов, которыми белок мог эволюционировать, чтобы выполнять новую функцию так же хорошо или даже лучше, чем исторически сложившийся вариант.
Исследование показало, что случайные мутации на ранних этапах истории белка сыграли ключевую роль в определении того, какие мутации могли произойти позже. Конкретный результат эволюции критически зависел от цепочки случайных событий.
"Сравнивая то, что произошло в истории, со всеми другими путями, которые могли бы привести к тому же результату, мы увидели, насколько эволюция идиосинкразична", — сказал Тайлер Старр, аспирант и ведущий автор работы.
Молекулярные машины времени
Работа основана на 15-летних исследованиях в области реконструкции предковых белков ("молекулярных путешествий во времени"). Ранее команда воскресила и проанализировала предков семейства белков — стероидных гормональных рецепторов (например, рецепторов тестостерона и эстрогена).
Было установлено, что предковый рецептор вёл себя как рецептор эстрогена, но в один исторический момент эволюционировал в группу, способную распознавать другие стероидные гормоны и связываться с новым классом регуляторных элементов ДНК. Этот переход был вызван тремя ключевыми мутациями.
Новое исследование поставило вопрос: был ли это единственный возможный путь к новой функции? Был ли он самым эффективным или самым лёгким? Или это была просто одна из многих возможностей?
Эксперимент с альтернативными историями
Для ответа на эти вопросы Тайлер Старр:
- Создал штаммы дрожжей, в которых связывание с новым регуляторным элементом ДНК запускало экспрессию флуоресцентного репортёрного гена.
- Синтезировал библиотеку из 160 000 вариантов предкового белка, содержащих все возможные комбинации аминокислот в четырёх ключевых сайтах, распознающих ДНК.
- Ввёл библиотеку в дрожжи и с помощью лазерной сортировки клеток по флуоресценции и высокопроизводительного секвенирования оценил способность каждого варианта выполнять старую и новую функции.
Результаты:
- Большинство вариантов не функционировали.
- Некоторые сохраняли только предковую функцию.
- Было найдено 828 новых версий белка, способных выполнять новую функцию так же хорошо или лучше, чем исторически сложившийся вариант.
Эволюция могла получить доступ ко многим из этих "решений" даже легче, чем к историческому, но этого не произошло.
"У всех нас одинаковая последовательность гена этого белка, поэтому может показаться, что это эволюционная судьба, как будто мы пришли к лучшей возможной версии. Но есть сотни других направлений, по которым эволюция могла бы пойти с тем же успехом", — сказал профессор Джозеф Торнтон, старший автор исследования.
Метод глубокого мутационного сканирования станет мощным инструментом для эволюционных биологов, генетиков и биохимистов, позволяя исследовать возможные альтернативные пути эволюции в разных точках истории.
"У нас есть молекулярная машина времени, чтобы вернуться в прошлое, и, оказавшись там, мы можем одновременно проследить каждую альтернативную историю, которая могла бы разыграться. Это молекулярная версия мечты каждого эволюционного биолога", — заключил Торнтон.
Исследование "Alternate evolutionary histories in the sequence space of an ancient protein" поддержано Национальными институтами здоровья (NIH) и Национальным научным фондом (NSF).