Новое исследование в Чикагском университете показало, что сложные белковые структуры накапливаются в течение долгого времени, даже когда они не служат никакой цели, потому что универсальное биохимическое свойство и генетический код заставляют естественный отбор сохранять их. Работа была опубликована 9 декабря 2020 года в журнале Nature.

Большинство белков в наших клетках образуют специфические комплексы с другими белками, этот процесс называется мультимеризацией. Как и другие виды сложности в биологии, мультимеры обычно считаются устойчивыми в течение эволюционного времени, потому что они дают некоторую функциональную выгоду, которая благоприятствует естественному отбору.

"Как эволюционирует сложность-это один из величайших вопросов эволюционной биологии", - сказал старший автор Джозеф Торнтон, доктор философии, профессор генетики, экологии и эволюции человека в Чикагском университете. "Классическое объяснение состоит в том, что сложные структуры должны существовать, потому что они дают некоторую функциональную пользу организму, поэтому естественный отбор стимулирует все возрастающие состояния сложности. Очевидно, что в некоторых случаях сложность адаптивна, как эволюция глаза: сложные глаза видят лучше, чем простые. Но на молекулярном уровне мы обнаружили, что существуют и другие простые механизмы, приводящие к нарастанию сложности."

Исследовательская группа, возглавляемая Торнтоном и докторантом Чикагского университета Георгом Хохбергом, задалась целью изучить эволюцию мультимеризации в семействе белков, называемых рецепторами стероидных гормонов, которые собираются в пары (называемые димерами).

Они использовали метод, называемый реконструкцией наследственных белков, своего рода молекулярным "путешествием во времени", сказал Торнтон, который позволил им воссоздать древние белки в лаборатории и экспериментально изучить, как на них повлияли мутации, произошедшие сотни миллионов лет назад.

К своему удивлению, они обнаружили, что древние белки функционировали не иначе, когда собирались в димер, чем если бы они никогда не эволюционировали, чтобы димеризоваться вообще. В формировании комплекса не было ничего полезного или полезного.

Объяснение того, почему димерная форма рецептора сохранилась в течение 450 миллионов лет, оказалось на удивление простым. "Эти белки постепенно пристрастились к их взаимодействию, хотя в этом нет ничего полезного", - объяснил Хохберг, который сейчас является руководителем группы в Институте Макса Планка в Марбурге, Германия. "Части белка, которые образуют интерфейс, где партнеры связывают друг друга, накапливали мутации, которые были терпимы после эволюции димера, но были бы вредными в состоянии Соло. Это сделало белок полностью зависимым от димерной формы, и он больше не мог вернуться. Бесполезная сложность укоренилась, по сути, навсегда."

Исследователи показали, что простые биохимические, генетические и эволюционные принципы делают неизбежным закрепление молекулярных комплексов. Гены, кодирующие каждый белок, подвержены постоянному граду мутаций в течение поколений, многие из которых нарушают способность белка складываться и функционировать должным образом. Форма естественного отбора, называемая очищающим отбором, удаляет эти вредные мутации из популяции.

Как только белок эволюционирует, чтобы мультимеризоваться, части, образующие интерфейс, могут накапливать мутации, которые были бы вредными, если бы белок находился в сольном состоянии, до тех пор, пока они могут быть терпимы в мультимере. Очищающий отбор затем закрепляет сложную форму, препятствуя возвращению в сольное состояние.

Исследователи показали, что в основе укоренения лежит простое и универсальное правило биохимии. Белки состоят из аминокислот, которые могут быть водорастворимыми или гидрофобными, то есть они легко растворяются в масле, но не в воде. Обычно белки складываются так, что водорастворимые аминокислоты находятся снаружи, а гидрофобные-внутри. Мутации, которые делают поверхность белка более маслорастворимой, ухудшают его сворачивание, поэтому очищающий отбор удаляет их, если они происходят в одиночных белках.

Однако, если белок эволюционирует, чтобы мультимеризоваться, эти гидрофобные аминокислоты на поверхности интерфейса скрыты от воды и становятся невидимыми для очищающего отбора. Мультимер затем закрепляется, потому что возвращение в сольное состояние обнажит теперь уже маслорастворимый и вредный интерфейс.

Этот "гидрофобные трещотки", как представляется, универсальный характер. Исследователи проанализировали массивную базу данных белковых структур, включая сотни димеров и связанных с ними одиночных белков, и обнаружили, что подавляющее большинство интерфейсов стали настолько гидрофобными, что димерная форма глубоко укоренилась.

Этот механизм, работающий на тысячах белков в течение сотен миллионов лет, может привести к постепенному накоплению многих бесполезных комплексов внутри клеток.

"Некоторые комплексы, безусловно, имеют важные функции, но даже они будут закреплены гидрофобным храповиком, что сделает их более трудными для потери, чем они были бы в противном случае", - сказал Хохберг. "С храповиком, постоянно работающим на заднем плане, наши клетки, вероятно, накопили огромный запас укоренившихся комплексов, многие из которых никогда не выполняли полезной функции или давно перестали это делать."

Будущие направления включают изучение того, могут ли взаимодействия, отличные от мультимеризации, быть результатом укоренения. "Это была история о димеризации белков с другими копиями самих себя, что является очень распространенным процессом", - сказал Торнтон. -Но в клетках существует множество других взаимодействий, и мы думаем, что некоторые из них могли накопиться в ходе эволюции из-за подобной приобретенной зависимости от молекулярной сложности."

ИСТОЧНИК