Раскрыто происхождение сложного гемоглобина благодаря воскрешению древних белков

Международная группа учёных под руководством профессора Джозефа Торнтона и аспиранта Арвинда Пиллаи из Чикагского университета обнаружила, что молекулярная сложность может эволюционировать через удивительно простые механизмы. Исследователи идентифицировали «недостающее звено» в эволюции гемоглобина — ключевого четырёхкомпонентного белкового комплекса, переносящего кислород в крови позвоночных.

Исследование «Происхождение сложности в эволюции гемоглобина» будет опубликовано 20 мая в журнале Nature.

Метод молекулярного путешествия во времени

Каждая молекула гемоглобина — это комплекс из четырёх белковых субъединиц (двух копий двух разных белков). Ближайшие родственники этих белков не образуют комплексов вовсе. Учёные использовали стратегию реконструкции и экспериментальной характеристики древних белков до, во время и после появления самых ранних форм гемоглобина.

Был идентифицирован ключевой промежуточный этап — двухкомпонентный комплекс, состоящий из двух копий одного белка, существовавший до последнего общего предка человека и акул. Этот древний комплекс ещё не обладал критическими свойствами современного гемоглобина.

Простой механизм возникновения сложности

Внеся в белок «недостающего звена» мутации, произошедшие в следующий исторический период, учёные обнаружили, что всего две мутации на поверхности белка, произошедшие более 400 миллионов лет назад, запустили формирование четырёхкомпонентного комплекса и придали ему ключевые изменения в функции связывания кислорода.

Это противоречит традиционному взгляду на постепенное накопление сложности через множество мелких шагов. Новое исследование показывает, что на молекулярном уровне новые сложные формы могут возникать очень быстро.

«Мы были поражены, увидев, что такой простой механизм может обеспечить такие сложные свойства», — сказал Джозеф Торнтон.

Мутации изменили и структуру, и функцию

Древние предшественники гемоглобина, включая двухкомпонентное «недостающее звено», связывали кислород слишком прочно и некооперативно, поэтому не могли эффективно выполнять функцию обмена кислородом.

Ключевые две мутации, находящиеся на поверхности белка в месте сборки комплекса (а не в сайте связывания кислорода), не только создали четырёхчастную структуру, но и наделили гемоглобин его критическими свойствами:

• Снизили сродство к кислороду до уровня, позволяющего эффективно захватывать его в лёгких и высвобождать в тканях.
• Запустили кооперативность: связывание кислорода одной субъединицей повышает сродство к кислороду у соседних.

Это стало возможным благодаря древней цепочке аминокислот, которая соединяет сайт сборки комплекса с кислород-связывающим сайтом. Сборка четырёхкомпонентного комплекса через две мутации меняет форму этой цепочки, что, в свою очередь, перестраивает активный центр.

Значение открытия

Исследование показывает, что сложные функциональные свойства могут возникать как немедленный побочный эффект, когда впервые эволюционирует способность белка к сборке в комплекс. Более древние структурные элементы, которые использовали две ключевые мутации, существовали до появления конечной функции — вероятно, случайно.

«Представьте, если бы эти две мутации никогда не произошли... Гемоглобин в том виде, в каком мы его знаем, не эволюционировал бы, а вместе с ним и многие последующие инновации, зависящие от эффективного транспорта кислорода», — отметил Торнтон.

Соавторы работы: Карлос Кортес-Ромеро (Чикагский университет), Ян Лю и Артур Лагановски (Техасский университет A&M), Энтони Синьоре и Джей Ф. Сторц (Университет Небраски-Линкольна), Шейн Чандлер и Джастин Бенеш (Оксфордский университет).