Учёные обнаружили эволюционную связь между структурой и функцией белка
Белки — это не просто компонент питания. Эти разнообразные молекулы обеспечивают почти все клеточные процессы в живом организме. Учёные могут знать структуру белка или его функцию, но не всегда могли связать эти два аспекта.
«Большая проблема в биологии — вопрос о том, как белок делает то, что он делает. Мы считаем, что ответ кроется в эволюции белков», — говорит профессор и биоинформатик Густаво Каэтано-Анольес из Университета Иллинойса.
Геологи находят остатки жизни, сохранившиеся в породах возрастом миллиарды лет. Иногда сохранность микробов и тканей настолько хороша, что можно обнаружить микроскопические клеточные структуры, которые когда-то были связаны с определёнными белками. Эта геологическая летопись даёт учёным скрытую связь с эволюционной историей белковых структур за невероятно долгие периоды. Но до сих пор не всегда удавалось связать функцию с этими структурами, чтобы понять, как белки вели себя в клетках миллиарды лет назад по сравнению с сегодняшним днём.
«Впервые мы проследили эволюцию на биологической сети», — отмечает Каэтано-Анольес.
Каэтано-Анольес и аспиранты Файез Азиз и Келси Каэтано-Анольес использовали сети для исследования связи между структурой белка и молекулярной функцией. Они построили временную шкалу белковых структур, охватывающую 3,8 миллиарда лет по геологической летописи, но им нужен был способ связать структуры с их функциями. Для этого они изучили генетический состав сотен организмов.
«Оказывается, в наших генах есть небольшие фрагменты, которые невероятно консервативны во времени, — говорит Каэтано-Анольес. — И не только в геномах человека. Когда мы смотрим на высшие организмы, такие как растения, грибы и животные, а также на бактерии, археи и вирусы, одни и те же фрагменты всегда присутствуют. Мы видим их снова и снова».
Исследовательская группа обнаружила, что эти крошечные сегменты генов указывают белкам создавать «петли» — мельчайшие структурные единицы белка. Когда петли объединяются, они создают активные сайты, или молекулярные карманы, которые придают белкам их функцию. Например, гемоглобин, белок, переносящий кислород в крови, имеет две петли, которые создают активный сайт, связывающий кислород. Петли объединяются, образуя более крупные белковые структуры, называемые доменами.
Примечательно, что новое исследование показывает, что петли неоднократно рекрутировались для выполнения новых функций, и этот процесс был активным и непрерывным с самого начала жизни.
«Этот рекрутинг важен для понимания биологического разнообразия», — говорит Каэтано-Анольес.
Один важный аспект исследования связан с фактической связью между структурой домена и функциональными петлями. Исследователи обнаружили, что эта связь характеризуется неожиданным свойством, разворачивающимся во времени, — «эмерджентным» свойством, известным как иерархическая модульность.
«Петли — это связные модули, как и домены, белки, клетки, органы и тела, — объясняет Каэтано-Анольес. — Мы все состоим из связных модулей, включая наши человеческие тела. Это и есть иерархическая модульность: построение небольших связных частей в более крупные и всё более сложные целые».
Иерархическая модульность существует и в созданных человеком сетях, таких как интернет. Например, каждый маршрутизатор представляет собой «узел», который передаёт информацию на разные компьютеры. Когда миллионы компьютеров взаимодействуют друг с другом в сети, возникают более крупные и сложные сущности. Каэтано-Анольес предполагает, что эволюцию созданных человеком сетей можно отобразить так же, как и эволюцию биологических сетей.
«С точки зрения компьютерных наук, мало кто исследовал, как отслеживать сети во времени. Представьте себе изучение того, как растёт и меняется интернет, когда добавляются новые маршрутизаторы, отключаются или взаимодействуют друг с другом. Это сложная задача, потому что нужно отслеживать миллионы маршрутизаторов, а интернет-коммуникация может быть очень динамичной. В нашем исследовании мы показываем, как это можно сделать с очень маленькой сетью», — объясняет Каэтано-Анольес.
Методы, разработанные Каэтано-Анольесом и его командой, теперь потенциально могут объяснить, как изменения способны структурировать системы, столь разнообразные, как интернет, социальные сети или совокупность всех белков в организме.