- Троицкий вариант — Наука - https://trv-science.ru -

Сад расходящихся белков

20-х годах ХХ века Эдвин Хаб­бл открыл зави­си­мость отно­ситель­ной ско­ро­сти дви­же­ния галак­тик от рас­сто­я­ния меж­ду ними. Более дале­кие галак­ти­ки раз­бе­га­ют­ся быст­рее. Эти наблю­де­ния поз­во­ли­ли нам луч­ше понять воз­ник­но­ве­ние и эво­лю­цию Все­лен­ной.

Ока­зы­ва­ет­ся, опре­де­лен­ную ана­ло­гию это­го явле­ния мож­но обна­ру­жить и в эво­лю­ции био­ло­ги­че­ской все­лен­ной. Бел­ки дви­жут­ся друг отно­си­тель­но дру­га в про­стран­стве ами­но­кис­лот­ных после­до­ва­тель­но­стей. Как это про­ис­хо­дит, опи­сы­ва­ет­ся в рабо­те Инны Пово­лоц­кой и Фёдо­ра Кон­дра­шо­ва из испан­ско­го Цен­тра геном­ной регу­ля­ции в Бар­се­лоне [1].

Рис. 1. Зави­си­мость отно­ше­ния чис­ла сбли­жа­ю­щих (Nt) и раз­во­дя­щих (Na) замен от рас­сто­я­ния меж­ду бел­ко­вы­ми после­до­ва­тель­но­стя­ми (оран­же­вый – сино­ни­мич­ные заме­ны в нук­лео­тид­ной после­до­ва­тель­но­сти, синий – стро­гие заме­ны в после­до­ва­тель­но­сти, зеле­ный – уточ­не­ние с исполь­зо­ва­ни­ем дан­ных о функ­ци­о­наль­ной схо­же­сти ами­но­кис­лот).

При­чи­ной дви­же­ния галак­тик явля­ет­ся Боль­шой взрыв, а бел­ки дви­жут­ся бла­го­да­ря мута­ци­ям. Каж­дая мута­ция может при­ве­сти к изме­не­нию одной ами­но­кис­ло­ты из сотен, состав­ля­ю­щих белок, в резуль­та­те бел­ко­вая после­до­ва­тель­ность «пере­прыг­нет» в сосед­нюю точ­ку про­стран­ства. Два десят­ка раз­лич­ных ами­но­кис­лот, исполь­зу­е­мых для постро­е­ния бел­ков боль­шин­ством извест­ных орга­низ­мов, дают раз­мер про­стран­ства ~20500 для после­до­ва­тель­но­сти из 500 эле­мен­тов. Рас­сто­я­ние меж­ду бел­ка­ми в этом про­стран­стве мож­но опре­де­лить как чис­ло пози­ций после­до­ва­тель­но­сти, в кото­рых ами­но­кис­ло­ты не сов­па­да­ют. Направ­ле­ние дви­же­ния меж­ду дву­мя бел­ка­ми, име­ю­щи­ми обще­го пред­ка, опре­де­ля­ет­ся путем под­сче­та (по отдель­но­сти) коли­честв ами­но­кис­лот­ных замен, сбли­жа­ю­щих (Nt) и раз­во­дя­щих (Na) выбран­ные после­до­ва­тель­но­сти. Отно­ше­ние сбли­жа­ю­щих и раз­во­дя­щих замен пока­зы­ва­ет направ­ле­ние и ско­рость дви­же­ния после­до­ва­тель­но­стей друг отно­си­тель­но дру­га. Если Nt/​ Na > 1, то бел­ки сбли­жа­ют­ся, если < 1 – рас­хо­дят­ся. В рабо­те были про­ана­ли­зи­ро­ва­ны дан­ные о после­до­ва­тель­но­стях 572 групп бел­ков, беру­щих свое нача­ло в общем пред­ке всех орга­низ­мов, жив­шем более 3,5 млрд лет назад. Ока­за­лось, что био­ло­ги­че­ский закон раз­бе­га­ния бел­ков про­ти­во­по­ло­жен кос­мо­ло­ги­че­ско­му зако­ну раз­бе­га­ния галак­тик – чем даль­ше бел­ки нахо­дят­ся друг от дру­га, тем мед­лен­нее они рас­хо­дят­ся (рис. 1, синие и зеле­ные точ­ки). Какое явле­ние отра­жа­ет эта зави­си­мость? Если бы на дви­же­ние бел­ков не вли­ял отбор, то коли­че­ство сбли­жа­ю­щих и раз­во­дя­щих замен было бы при­мер­но рав­но прак­ти­че­ски во всем диа­па­зоне рас­сто­я­ний. Это мож­но про­ве­рить, поме­ряв дви­же­ние бел­ков толь­ко по сино­ни­мич­ным заме­нам нук­лео­ти­дов, то есть по заме­нам в после­до­ва­тель­но­сти ДНК, не при­во­дя­щим к изме­не­нию коди­ру­е­мых ими ами­но­кис­лот, а зна­чит и функ­ции бел­ка. И, дей­стви­тель­но, по сино­ни­мич­ным заме­нам N/​Na и 1 (рис. 1, оран­же­вые точ­ки). Поэто­му логич­но пред­по­ло­жить, что на закон раз­бе­га­ния после­до­ва­тель­но­стей вли­я­ет отбор, кото­рый может дей­ство­вать на ами­но­кис­ло­ты неза­ви­си­мо в отдель­ных пози­ци­ях или сра­зу на их ком­би­на­ции. Послед­ний слу­чай в эво­лю­ци­он­ной био­ло­гии назы­ва­ет­ся эпи­стаз.

Рис. 2. При неза­ви­си­мой эво­лю­ции каж­дой из пози­ций ами­но­кис­лот­ной после­до­ва­тель­но­сти белок может дви­гать­ся по крат­чай­ше­му пути (а). Ана­лиз после­до­ва­тель­но­стей древ­них бел­ков пока­зы­ва­ет, что они дви­жут­ся по слож­ным лома­ным тра­ек­то­ри­ям, обра­зу­ю­щим раз­ря­жен­ную сет­ку в про­стран­стве воз­мож­ных после­до­ва­тель­но­стей (b).

Что­бы деталь­нее про­ве­рить гипо­те­зу эпи­ста­ти­че­ско­го отбо­ра, были рас­смот­ре­ны две груп­пы пози­ций срав­ни­ва­е­мых после­до­ва­тель­но­стей – «дивер­гент­ные» и «кон­вер­гент­ные». Дивер­гент­ные пози­ции – это пози­ции в после­до­ва­тель­но­сти, любая мута­ция в кото­рых при­ве­дет к рас­хож­де­нию бел­ков. Кон­вер­гент­ные – пози­ции, кото­рые могут сбли­зить бел­ки, если в них про­изой­дет мута­ция. Для обе­их групп была посчи­та­на доля накоп­лен­ных замен по отно­ше­нии к сино­ни­мич­ным заме­нам, что дает зна­че­ние ско­ро­сти накоп­ле­ния эво­лю­ци­он­ных изме­не­ний. Резуль­та­ты ана­ли­за пока­за­ли, что заме­ны в дивер­гент­ных пози­ци­ях состав­ля­ют ~2% от ней­траль­ных. Сле­до­ва­тель­но, эти ами­но­кис­ло­ты с боль­шой веро­ят­но­стью кри­тич­ны для нор­маль­но­го функ­ци­о­ни­ро­ва­ния бел­ка. Таким обра­зом, отбор «тор­мо­зит» дви­же­ние бел­ков по дивер­гент­ным пози­ци­ям. С дру­гой сто­ро­ны, кон­вер­гент­ные пози­ции явля­ют­ся направ­ле­ни­я­ми для потен­ци­аль­но­го сбли­же­ния после­до­ва­тель­но­стей. В таких пози­ци­ях ами­но­кис­ло­ты в раз­ных после­до­ва­тель­но­стях раз­ные, и с адап­тив­но­стью бел­ка они могут быть совсем не свя­за­ны, так как если ами­но­кис­ло­та при­сут­ству­ет в бел­ке у одно­го вида, то она может при­сут­ство­вать без отри­ца­тель­ных вли­я­ний и у дру­го­го вида. В этом слу­чае ско­рость их эво­лю­ции не будет зави­сеть от рас­сто­я­ния меж­ду бел­ка­ми. Тем не менее, рас­чет ско­ро­сти эво­лю­ции кон­вер­гент­ных пози­ций пока­зал, что она быст­ро умень­ша­ет­ся с уве­ли­че­ни­ем рас­сто­я­ния меж­ду срав­ни­ва­е­мы­ми бел­ка­ми. Такая зави­си­мость долж­на наблю­дать­ся, если функ­ция бел­ка зави­сит не толь­ко от кон­сер­ва­тив­ных пози­ций, но и от ком­би­на­ций ами­но­кис­лот в части осталь­ных пози­ций после­до­ва­тель­но­сти. Подоб­ных «тене­вых» ком­би­на­ций, опо­сре­до­ван­но вли­я­ю­щих на адап­тив­ность, может быть несколь­ко. Тогда, если одна заме­на, веду­щая к аль­тер­на­тив­ной ком­би­на­ции, все же про­изо­шла, за ней долж­ны быст­ро после­до­вать дру­гие, что­бы белок при­об­рел новую устой­чи­вую струк­ту­ру, после чего его эво­лю­ция опять замед­ля­ет­ся. В этом слу­чае при дивер­ген­ции аль­тер­на­тив­ных вари­ан­тов бел­ка в про­цес­се эво­лю­ции в них «попа­да­ют» раз­ные ком­би­на­ции, что и при­во­дит к сни­же­нию ско­ро­сти изме­не­ний в кон­вер­гент­ных пози­ци­ях. Поэто­му бел­ки на боль­шом рас­сто­я­нии будут раз­бе­гать­ся мед­лен­нее.

Галак­ти­ки раз­ле­та­ют­ся от точ­ки воз­ник­но­ве­ния физи­че­ской Все­лен­ной, а в бел­ко­вой все­лен­ной всё гораз­до запу­тан­нее. Бел­ки не бегут по крат­чай­шей тра­ек­то­рии от точ­ки к точ­ке про­стран­ства ами­но­кис­лот­ных после­до­ва­тель­но­стей (рис. 2а). За счет вза­и­мо­дей­ствия меж­ду ами­но­кис­ло­та­ми, обра­зу­ю­щи­ми белок, на каж­дом шаге одни раз­мер­но­сти про­стран­ства закры­ва­ют­ся, а дру­гие откры­ва­ют­ся для после­ду­ю­ще­го пере­ме­ще­ния. Путь дви­же­ния ста­но­вит­ся изре­зан­ным, и аль­тер­на­тив­ные вари­ан­ты бел­ка про­са­чи­ва­ют­ся по тон­ким про­хо­дам, про­ни­зы­ва­ю­щим обла­сти с низ­кой адап­тив­но­стью (рис. 2б).

Миха­ил Бур­цев

1. Povolotskaya, Inna S., и Fyodor A. Kondrashov. 2010. Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe. Nature (online 19 May 2010). doi:10.1038/nature09105.

2. Hubble, Edwin. 1929. A Relation Between Distance And Radial Velocity Among Extra-Galactic Nebulae. PNAS 3 (15): 168–173.

Если вы нашли ошиб­ку, пожа­луй­ста, выде­ли­те фраг­мент тек­ста и нажми­те Ctrl+Enter.

Связанные статьи