Новый механизм эволюции зелёного флуоресцентного белка

Ключевой вызов в бионауках — понять, как происходят крупные эволюционные изменения. Иногда путь оказывается очень простым. Пример такой простоты представлен в новой публикации учёных из Университета штата Аризона (ASU).

Впервые показано, что механизм миграции «шарнира», управляемый исключительно дальнодействующими динамическими движениями, может быть ключом к эволюции фенотипа с фото-превращением из зелёного в красный у зелёного флуоресцентного белка (GFP).

Ребекка Вахтер, профессор кафедры химии и биохимии ASU, — эксперт в области структурной характеристики GFP-подобных белков. Данное исследование стало кульминацией восьми лет интенсивной работы в её лаборатории.

Работа, опубликованная в высокорейтинговом журнале Structure, выполнена в сотрудничестве с С. Бану Озкан из Центра биологической физики ASU и эволюционным биологом Михаилом Мацем из Техасского университета.

Зелёный флуоресцентный белок был впервые выделен из медузы Aequorea victoria. Было обнаружено, что этот белок светится ярко-зелёным под ультрафиолетовым светом. Это явление нашло множество творческих применений в бионауках.

Белок используется как чрезвычайно ценный светящийся генетический маркер для наблюдения за различными биологическими процессами. С помощью GFP можно наблюдать, когда и где производятся белки. Для этого ген GFP присоединяют к гену интересующего белка. Способность некоторых GFP превращаться в красные при длительном освещении делает их бесценными зондами в приложениях микроскопии сверхвысокого разрешения.

Чтобы флуоресцировать, GFP-подобные белки должны принять компактную бочкообразную форму. Светозависимый красный фенотип мог возникнуть из общего зелёного предка путём обращения жёстких и мягких областей, расположенных в противоположных углах β-бочкообразной структуры.

Хотя шесть кристаллических структур реконструированных предковых белков типа Kaede указывают на высокую консервативность структуры, анализ гибкости цепи с помощью методов молекулярной динамики и сканирования отклика на возмущение, проведённый в группе С. Бану Озкан, показал, что индивидуальная гибкость каждой позиции (т.е. структурная динамика) изменяется в ходе эволюции фото-превращения зелёного в красный. Таким образом, исследование предполагает, что это превращение могло возникнуть из-за смещения жёсткого угла возле хромофора к противоположному углу β-бочки.

«Впервые эта работа устанавливает прямую экспериментальную связь между изменением белкового фенотипа и коллективной динамикой без какого-либо внешнего триггера, такого как связывание субстрата, продукта или эффектора», — объясняет Вахтер. — «Основываясь на структурных, вычислительных и кинетических данных, мы предлагаем новый механизм фото-превращения, который даёт правдоподобный путь для необратимого приобретения красной флуоресценции».

Несмотря на интенсивные усилия многих лабораторий по всему миру, механизм фото-превращения белков типа Kaede оставался в значительной степени загадочным. Настоящая работа проливает свет на структурные, динамические и механистические особенности, которые необходимо учитывать при разработке улучшенных флуоресцентных зондов для микроскопии сверхвысокого разрешения.