Исследователи раскрыли путь эволюции важных белков

Новое исследование Университета Висконсин-Мэдисон расшифровывает эволюционный путь регуляторных белков — молекул, которые помогают контролировать экспрессию генов.

Лаборатория комбинационного рассеяния света на кафедре биохимии недавно опубликовала свои результаты в журнале. Клеточные системы. Вот краткое изложение того, что они обнаружили:

• Белки приобретают и теряют функции в ходе эволюционных процессов, поскольку клетки со временем адаптируются к изменениям в окружающей среде.
• Эволюция белков хорошо изучена в отношении некоторых ферментов, но недостаточно изучена в отношении регуляторных белков, которые помогают контролировать экспрессию генов.
• Новое комплексное исследование эволюции одного регуляторного белка показывает, что то, как белки эволюционируют, приобретая и теряя функции с течением времени, различается в зависимости от класса белков. В то время как некоторые белки развиваются поэтапно, медленно приобретая или теряя функции с течением времени, белки, которым поручено контролировать важные функции, такие как экспрессия генов, следуют эволюционному шаблону, который защищает их от одновременного выполнения нескольких функций.

Какую справочную информацию вам нужно знать?

Вьюрки Галапагосских островов, знаменито описанные Дарвином, часто используются как типичный пример эволюции. Со временем естественные генетические мутации привели к небольшим, постепенным изменениям во внешности птиц. Изменения, которые дали вьюркам преимущество, были переданы последующим поколениям, что в конечном итоге привело к появлению разнообразных форм клюва и тела, хорошо адаптированных к различным диетам и методам добычи пищи.

Биомолекулы также со временем эволюционируют, приобретая новые функции и теряя ненужные в ответ на изменения в среде клетки, например, на воздействие новых молекул или внедрение патогенов. Эта эволюция представляет собой непрерывный процесс, благоприятствующий мутациям, которые позволяют организмам функционировать эффективно и результативно.

Например, учёным известно, что ферменты — класс белков, отвечающих за запуск и ускорение биохимических реакций — эволюционируют постепенно. Отдельные мутации накапливаются, в конечном итоге давая ферменту новую функцию в клетке.

Однако такая модель эволюции справедлива не для всех классов белков.

Почему закономерности эволюции белков различаются?

Хотя некоторые белки могут эволюционировать постепенно, изменяя свои функции, иногда даже выполняя несколько функций на этом пути, регуляторные белки имеют более тонкую систему, которую нужно сбалансировать.

Регуляторные белки помогают контролировать экспрессию генов, включая и выключая гены, как выключатель света. Если один выключатель света контролирует экспрессию нескольких генов, становится сложнее контролировать экспрессию только одного из генов.

Вот почему регуляторные белки обычно имеют ограниченный набор функций: выполнение нескольких связанных функций может привести к катастрофическим последствиям, включая гибель клеток, изменение экспрессии генов или неконтролируемое деление клеток, что может привести к опухолям. Ставки на мутации и эволюцию выше, когда функция белка настолько важна и сложна.

Как ученые добились прогресса?

Чтобы лучше понять траекторию эволюции регуляторных белков, Ватсан Раман и исследователи из его лаборатории нанесли на карту эволюцию на протяжении тысячелетий определенного вида регуляторного белка, называемого регулятором транскрипции. Этот белок помогает контролировать скорость синтеза РНК из ДНК.

Они экстраполировали возможную историю мутаций белка с помощью компьютерного моделирования. Этот подход дал им на сотни больше последовательностей ДНК, отражающих эволюционную историю белка, чем было использовано в прошлых исследованиях. Используя эти данные, они отследили вероятные мутации белка — и, как следствие, усиление и потерю функции, — выявив новую модель эволюции.

В отличие от ступенчатой ​​структуры, наблюдаемой в ферментах, белки, регулирующие транскрипцию, быстро приобретают или теряют функцию при приобретении мутаций. Это быстрое изменение помогает им сохранять свою единственную роль, связываясь с конкретными молекулами, не позволяя им одновременно выполнять несколько ролей.

Раман и его команда полагают, что закономерность эволюции, выявленная их исследованием в регуляторах транскрипции, может наблюдаться и в других регуляторных белках. Более глубокое понимание эволюционного ландшафта регуляторов транскрипции поможет ученым разработать новые регуляторы для контроля генных цепей, сенсорных молекул, проектирования путей биосинтеза и мониторинга клеточных метаболитов, открывая двери для новых биомедицинских и биотехнологических открытий.