Белки являются ключевыми участниками практически всех молекулярных процессов в клетке. Для выполнения своих разнообразных функций они должны взаимодействовать с другими белками. Такие белок-белковые взаимодействия опосредуются высококомплементарными поверхностями, которые, как правило, включают в себя множество аминокислот, точно расположенных для создания плотного, специфического соединения между двумя белками. Однако сравнительно мало известно о том, как такие взаимодействия создаются в процессе эволюции.

Классическая эволюционная теория предполагает, что любая новая биологическая особенность, включающая множество компонентов (например, аминокислоты, обеспечивающие взаимодействие между белками), развивается поэтапно. Согласно этой концепции, каждое крошечное функциональное улучшение приводится в действие силой естественного отбора, поскольку с этим свойством связана определенная выгода. Однако всегда ли белок-белковые взаимодействия также следуют этой траектории, было не совсем известно.

Используя междисциплинарный подход, международная команда под руководством исследователя Макса Планка Георга Хохберга из отдела наземной микробиологии в Марбурге теперь пролила новый свет на этот вопрос. Их исследование предоставляет окончательное доказательство того, что высокодополнительные и биологически значимые взаимодействия белок-белок могут развиваться совершенно случайно.

Белки сотрудничают в системе фотозащиты

Исследовательская группа сделала свое открытие в биохимической системе, которую микробы используют для адаптации к стрессовым условиям освещения. Цианобактерии используют солнечный свет для производства собственной пищи путем фотосинтеза. Поскольку большое количество света повреждает клетку, цианобактерии выработали механизм, известный как фотозащита: если интенсивность света становится опасно высокой, датчик интенсивности света под названием оранжевый каротиноидный белок (OCP) меняет свою форму.

В этой активированной форме OCP защищает клетку, преобразуя избыточную световую энергию в безвредное тепло. Для того чтобы вернуться в исходное состояние, некоторые OCP зависят от второго белка: Белок восстановления флуоресценции (FRP) связывается с активированным OCP1 и значительно ускоряет его восстановление.

"Наш вопрос заключался в следующем: Возможно ли, что поверхности, позволяющие этим двум белкам образовывать комплекс, развились совершенно случайно, а не в результате прямого естественного отбора?" - говорит Георг Хохберг.

"Сложность заключается в том, что конечный результат обоих процессов выглядит одинаково, поэтому мы обычно не можем сказать, почему аминокислоты, необходимые для какого-то взаимодействия, эволюционировали - в результате естественного отбора для взаимодействия или случайно. Чтобы их различить, нам понадобится машина времени, чтобы увидеть точный момент в истории, когда произошли эти мутации", - объясняет Хохберг.

К счастью, недавний прорыв в молекулярной и вычислительной биологии предоставил Георгу Хохбергу и его команде лабораторную машину времени: реконструкцию предковой последовательности.

Кроме того, светозащитная система цианобактерий, которая уже много лет изучается в группе Томаса Фридриха из Берлинского технического университета, идеально подходит для изучения эволюционной встречи двух белковых компонентов. Ранние цианобактерии приобрели белки FRP от протеобактерий путем горизонтального переноса генов. Последняя сама не обладала способностью к фотосинтезу и не имела белка OCP.

Чтобы выяснить, как развивалось взаимодействие между OCP1 и FRP, аспирант Никлас Штойбе вывел последовательности древних OCP и FRP, существовавших миллиарды лет назад, а затем воскресил их в лаборатории. После перевода аминокислотных последовательностей в ДНК он получил их с помощью бактериальных клеток E. coli, чтобы иметь возможность изучить их молекулярные свойства.

Удачное совпадение

Затем команда из Берлина проверила, могут ли древние молекулы образовать взаимодействие. Таким образом, ученые смогли проследить, как оба белковых партнера познакомились друг с другом. "Удивительно, но FRP из протеобактерий уже совпал с предковым OCP из цианобактерий еще до того, как произошел перенос генов. Таким образом, взаимная совместимость FRP и OCP развивалась совершенно независимо друг от друга у разных видов", - говорит Томас Фридрих.

Это позволило команде доказать, что их способность к взаимодействию должна была быть счастливой случайностью: отбор не мог бы правдоподобно сформировать поверхности двух белков для обеспечения взаимодействия, если бы они никогда не встречались друг с другом. Это окончательно доказало, что такие взаимодействия могут развиваться совершенно без прямого селективного давления.

"Это может показаться необыкновенным совпадением", - говорит Никлас Стеубе. Представьте, что на Землю приземлился инопланетный космический корабль, и мы обнаружили, что он содержит предметы в форме вилки, которые идеально подходят для человеческих гнезд". Но, несмотря на кажущуюся невероятность, такие совпадения могут быть относительно частыми. Но на самом деле белки часто сталкиваются с большим количеством новых потенциальных партнеров по взаимодействию при изменении локализации или экспрессии в клетке, или когда новые белки попадают в клетку путем горизонтального переноса генов".

Георг Хохберг добавляет: "Даже если лишь небольшая часть таких встреч оказывается продуктивной, случайная совместимость может лежать в основе значительной доли всех взаимодействий, которые мы наблюдаем сегодня внутри клеток. Таким образом, как и в человеческом партнерстве, хорошая эволюционная совместимость может быть результатом случайной встречи двух уже совместимых партнеров".

Работа опубликована в журнале Nature Ecology & Evolution.