Ученые раскрыли эволюционный путь важных белков
Новое исследование Университета Висконсин-Мэдисон расшифровывает эволюционный путь регуляторных белков — молекул, которые помогают контролировать экспрессию генов.
Лаборатория Рамана на кафедре биохимии недавно опубликовала свои выводы в журнале Cell Systems.
- Белки приобретают и теряют функции в ходе эволюции по мере адаптации клеток к изменениям окружающей среды.
- Эволюция белков хорошо изучена для некоторых ферментов, но недостаточно изучена для регуляторных белков, контролирующих экспрессию генов.
- Новое всестороннее исследование эволюции одного регуляторного белка показывает, что пути обретения и потери функций со временем различаются у разных классов белков. В то время как одни белки эволюционируют постепенно, медленно приобретая или теряя функции, белки, ответственные за контроль важных процессов (например, экспрессии генов), следуют эволюционной модели, которая защищает их от одновременного выполнения нескольких функций.
Почему эволюционные модели различаются?
Регуляторные белки помогают контролировать экспрессию генов, включая и выключая их. Если один "переключатель" контролирует экспрессию нескольких генов, становится сложно управлять экспрессией только одного из них.
Вот почему регуляторные белки обычно имеют ограниченный набор функций: выполнение нескольких связанных функций может привести к катастрофическим последствиям, включая гибель клеток, измененную экспрессию генов или неконтролируемое клеточное деление (что может вызвать опухоли). Риски мутаций и эволюции выше, когда функция белка настолько важна и сложна.
Как ученые добились прогресса?
Чтобы лучше понять эволюционную траекторию регуляторных белков, Ватсан Раман и его коллеги смоделировали эволюцию на протяжении тысячелетий для конкретного типа регуляторного белка — транскрипционного регулятора. Этот белок помогает контролировать скорость синтеза РНК из ДНК.
Они экстраполировали вероятную историю мутаций белка с помощью компьютерного моделирования. Этот подход дал им на сотни больше последовательностей ДНК, представляющих эволюционную историю белка, чем в предыдущих исследованиях.
Ключевое открытие: В отличие от постепенных изменений, наблюдаемых у ферментов, транскрипционные регуляторные белки быстро приобретают или теряют функцию при возникновении мутаций. Это быстрое изменение помогает им сохранять свою единственную роль — связывание со специфическими молекулами, предотвращая одновременное выполнение нескольких ролей.
Исследователи полагают, что выявленная эволюционная модель может наблюдаться и у других регуляторных белков. Более глубокое понимание эволюции транскрипционных регуляторов поможет ученым конструировать новые регуляторы для управления генными цепями, детектирования молекул, инженерии биосинтетических путей и мониторинга клеточных метаболитов, открывая двери для новых биомедицинских и биотехнологических открытий.