Реконструирован 2-миллиардолетний фермент: детективная работа молекулярных биологов и биоинформатиков

Исследователи из Лейпцигского университета разгадали загадку в эволюции бактериальных ферментов. Реконструировав кандидата на роль особой РНК-полимеразы, существовавшей около 2 миллиардов лет назад, они смогли объяснить до сих пор озадачивающее свойство соответствующих современных ферментов.

В отличие от своих предков, они работают не непрерывно и благодаря этому значительно эффективнее — эти паузы в активности представляют собой эволюционный прогресс. Реконструкция белка из доисторических времён стала возможной благодаря междисциплинарному сотрудничеству молекулярной биохимии и биоинформатики.

Результаты исследования опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution. Изучаемые ферменты — это tRNA нуклеотидилтрансферазы: ферменты, которые присоединяют три нуклеотидных строительных блока в последовательности C-C-A к малым РНК в клетке (так называемым транспортным РНК), чтобы те впоследствии могли поставлять аминокислоты для синтеза белка.

С помощью филогенетических реконструкций команда исследователей под руководством профессора Марио Мёрля (биохимия) и профессора Сони Прохаски (биоинформатика) реконструировала кандидата на роль такого древнего фермента, каким он существовал у бактерий около 2 миллиардов лет назад. Затем исследовательская группа сравнила свойства реконструированной РНК-полимеразы со свойствами современного бактериального фермента.

Оба фермента работают со схожей точностью, но демонстрируют явные различия в характере реакции. До сих пор не удавалось распознать склонность современных ферментов неоднократно прерывать свою активность как эволюционное преимущество. Это явление десятилетиями озадачивало биохимиков. Только в сравнении с характером активности реконструированного фермента загадка была решена.

Фермент-предок является процессивным, то есть работает без перерыва, но время от времени удаляет уже правильно добавленные нуклеотидные строительные блоки. Результаты показывают, что из реконструкций ферментов можно многое узнать об эволюции и свойствах современных ферментов, и что многие вопросы можно решить только во взаимодействии биоинформатики и биохимии — в постоянном диалоге между компьютерными расчётами и лабораторными экспериментами.

Путешествие в прошлое по родственным связям

Используя последовательности генов, можно также создавать эволюционные филогенетические деревья бактерий. Исходя из современного широкого разнообразия организмов в видовом дереве, эволюционный путь отдельных генов можно реконструировать вдоль родственных связей и ветвей и кропотливо проследить до общего происхождения.

Реконструкция — это, по сути, трёхэтапный процесс.

1. Сначала в базах данных ищутся соответствующие современные ферменты, чтобы можно было изучить последовательность аминокислотных строительных блоков.
2. Полученные последовательности затем используются для расчёта того, как должна была выглядеть исходная последовательность.
3. Соответствующая генная последовательность, кодирующая древний фермент, затем вводится в лабораторные бактерии, чтобы они образовали нужный белок. Затем фермент можно детально изучить, чтобы определить его свойства, и сравнить с современными ферментами.

«Когда из лаборатории пришла новость, что реконструированный фермент выполняет C-C-A добавление, и делает это даже в более широком температурном диапазоне, чем современные ферменты, это был прорыв», — вспоминает Соня Прохаска.

Эволюционная оптимизация: паузы в активности повышают эффективность

Как и организмы, ферменты также оптимизируются в ходе эволюции. Работа (катализ), выполняемая ферментом, обычно идёт быстрее и лучше, чем сильнее он может связывать свой субстрат. Реконструированный фермент-предок делает именно это: он удерживает субстрат, tRNA, и присоединяет три нуклеотида C-C-A один за другим, не отпуская.

Современные tRNA нуклеотидилтрансферазы, напротив, являются дистрибутивными, то есть работают поэтапно, с паузами, во время которых они неоднократно высвобождают свой субстрат. Тем не менее, они более эффективны и быстрее, чем их предки-предшественники. Это озадачило исследователей. Почему современные ферменты продолжают отпускать свой субстрат?

Объяснение кроется в явлении обратной реакции, при которой внедрённые нуклеотиды снова удаляются ферментом. В то время как сильное связывание фермента-предка с субстратом приводит к последующему удалению, обратная реакция у современных ферментов почти полностью предотвращается за счёт высвобождения субстрата. Это позволяет им работать эффективнее, чем их предшественники.

«Теперь мы наконец смогли объяснить, почему современные tRNA нуклеотидилтрансферазы работают так эффективно, несмотря на их дистрибутивную природу», — говорит Марио Мёрль. «Это открытие стало для нас в команде полной неожиданностью. Мы не ожидали ничего подобного. У нас был этот вопрос 20 лет назад, и теперь мы наконец можем ответить на него с помощью методов биоинформатической реконструкции. Это тесное сотрудничество между биоинформатикой и биохимией существует в Лейпциге уже несколько лет и не в первый раз доказало свою огромную пользу для обеих сторон».