Изучение структур белков раскрывает ключевые события в истории эволюции
Новое исследование белков — молекулярных машин, которые управляют всей жизнью, — также проливает свет на историю живых организмов.
Исследование, опубликованное в журнале Structure, показывает, что после эонов постепенной эволюции белки внезапно пережили «большой взрыв» инноваций. Активные области многих белков, называемые доменами, объединялись друг с другом или разделялись, порождая множество структур, которые ранее никогда не встречались. Этот взрыв новых форм совпал с быстро растущим разнообразием трёх надцарств жизни (бактерии; микробы, известные как археи; и эукариоты, группа, включающая животных, растения, грибы и многие другие организмы).
Ведущий автор Густаво Каэтано-Аноллес, профессор биоинформатики в Университете Иллинойса, годами изучал структуры белков — он называет их «архитектурами», — которые, по его мнению, предлагают надёжную запись эволюционных событий.
Все белки содержат домены, которые можно идентифицировать по их структурному и функциональному сходству друг с другом. Эти домены — шестерёнки и моторы, которые позволяют белковой машине работать. Каждый белок имеет один или несколько таких доменов, и совершенно разные белки могут содержать одинаковые или похожие домены.
Проведя перепись всех доменов, встречающихся у разных групп организмов, и сравнив белковые репертуары сотен различных групп, исследователи смогли построить временную шкалу эволюции белков, которая напрямую связана с историей жизни.
«История белкового репертуара должна соответствовать истории всего организма, потому что организм состоит из всех этих частей», — сказал Каэтано-Аноллес.
Он и его соавтор, постдокторант Минглей Ван, стремились проследить, как белки используют свои домены или группы доменов для выполнения различных задач. Эти домены или кластеры доменов можно рассматривать как «модули», которые соединяются различными способами для достижения разных целей.
В отличие от последовательности аминокислот в белке, которая сильно подвержена изменениям, белковые модули, обнаруженные сегодня в живых организмах, сохранились, потому что они выполняют критические задачи, полезные для организмов-хозяев, отметил Каэтано-Аноллес.
«Эти модули устойчивы к изменениям, они высокоинтегрированы и используются в разных контекстах», — сказал он.
Проследив историю модулей, исследователи смогли построить приблизительную временную шкалу эволюции белков. Она показала, что до начала формирования трёх надцарств большинство белков содержали только отдельные домены, выполнявшие множество задач.
«Со временем эти домены начали объединяться с другими и стали очень специализированными», — сказал Каэтано-Аноллес. Это в конечном итоге привело к большому взрыву белковых архитектур.
«Именно во время большого взрыва», — сказал он, многие объединённые домены начали разделяться, снова создавая множество однодоменных модулей. Но эти новые модули были гораздо более эффективными и специализированными, чем их древние предшественники.
«В этом есть большой смысл, — сказал Каэтано-Аноллес. — По мере усложнения вы захотите тонко настраивать вещи, делать их более индивидуально».
Белковые модули трёх надцарств также начали более резко расходиться друг от друга, причём у эукариот (группы, включающей растения и животных) наблюдалось наибольшее разнообразие модулей.
«Этот взрыв разнообразия позволил эукариотам делать со своими белками то, что другие организмы делать не могли», — сказал Каэтано-Аноллес.
Источник: University of Illinois at Urbana-Champaign