Исследователи изучают разнообразие белков
Белки — невероятно разнообразный класс молекул, играющих ключевую роль в катализе реакций, защите от инфекций и транспорте кислорода в организме. Учёные из Гарварда нашли объяснение причинам этого разнообразия.
Под руководством профессора химии и химической биологии Юджина Шахновича и аспирантки его лаборатории Эми Гилсон исследователи обнаружили, что стабильность белков играет важную роль в эволюции различных белковых структур. Работа также предполагает, что огромное разнообразие белков, вероятно, эволюционировало из небольшого числа предков.
«Есть два фундаментальных вопроса, которые мы рассматриваем в этой статье. Первый: развилось ли всё наблюдаемое разнообразие из небольшого числа предков или эти структуры возникли конвергентно?» — говорит Эми Гилсон, докторант по химической физике.
Второй вопрос — почему белки с разными последовательностями стремятся принять одну и ту же структуру, но только до определённого предела.
Неудивительно, что белки с идентичными последовательностями имеют идентичные структуры. Удивительно, что белки, совпадающие всего на 30% по последовательности, всё ещё принимают ту же структуру. Ниже этого порога всё меняется.
«В этом и суть статьи, — говорит Шахнович. — Мы хотели понять и объяснить причину этого явления, потому что, помимо странности, оно имеет огромное значение для моделирования белковой структуры».
Чтобы понять важность этого 30%-ного порога, Гилсон и Шахнович предприняли необычный шаг — они группировали белки не по семействам или функциям, а по термодинамической стабильности.
«Мы видим, что для самых стабильных белков существует чёткий порог, а для нестабильных белков он гораздо мягче. Это указывает на то, что стабильность важна для эволюции структуры», — объясняет Гилсон.
«Идея в том, что очень стабильные белки стабильны не просто так, — добавляет Шахнович. — Если начать их изменять, это может навредить организму, поэтому на них действует сильный отбор для поддержания этой стабильности… и это ограничивает их способность менять структуру».
Менее стабильные белки сталкиваются с гораздо меньшими ограничениями и, как следствие, легче меняют свою структуру, даже если это влияет на их стабильность. Давление на стабильные белки оставаться стабильными создаёт порог в их эволюции.
«В наших вычислительных моделях белки изначально были стабильны, и по мере их дивергенции некоторые оставались стабильными, но для других это было не так важно, потому что на них действовал более слабый эволюционный отбор по стабильности, — говорит Шахнович. — Но белки, которые оставались стабильными, менялись очень консервативно — у них не было возможности изменить структуру, потому что это привело бы к потере стабильности».
Понимание того, как этот порог влияет на эволюцию структуры белка, важно не только как фундаментальный научный вопрос, но и из-за широких последствий для гомологического моделирования — процесса, который учёные используют для понимания белковых структур.
«В идеале учёные хотели бы определять структуру белка на основе его последовательности, — говорит Гилсон. — Мы ещё не достигли этого уровня, поэтому используем гомологическое моделирование. Если есть белок, который вас интересует, и вы знаете его последовательность, но не структуру, вы можете построить модель его структуры, используя в качестве шаблона белок со сходной последовательностью и известной структурой».
Отталкиваясь от этого, исследователи могут сосредоточиться на более систематическом моделировании различий.
Помимо ключевого понимания фундаментального биологического вопроса, это исследование ярко иллюстрирует связь между физическими свойствами белков и эволюционной приспособленностью организма.