Эволюция бесполезной сложности: простая биохимическая причина

Новое исследование Чикагского университета показало, что сложные белковые структуры накапливаются в ходе эволюции, даже если они не выполняют полезной функции. Это происходит из-за универсального биохимического свойства и генетического кода, которые заставляют естественный отбор сохранять их. Работа опубликована 9 декабря 2020 года в Nature.

Загадка молекулярной сложности

Большинство белков в клетках образуют специфические комплексы с другими белками — процесс, называемый мультимеризацией. Как и другие виды биологической сложности, мультимеры обычно считаются полезными, так как их сохранение объясняется действием естественного отбора.

Команда под руководством Джозефа Торнтона и постдока Георга Хохберга изучила эволюцию мультимеризации на примере семейства белков — рецепторов стероидных гормонов, которые собираются в пары (димеры).

Используя технику реконструкции предковых белков (молекулярное «путешествие во времени»), они воссоздали древние белки в лаборатории. К удивлению учёных, древние белки функционировали одинаково как в димерной, так и в одиночной форме. Не было обнаружено никакой пользы от образования комплекса.

Механизм «гидрофобной защёлки»

Объяснение, почему димерная форма рецептора сохранялась 450 миллионов лет, оказалось простым. Белки постепенно стали «зависимы» от взаимодействия. Части белка, формирующие поверхность контакта (интерфейс), накопили мутации, которые были терпимы в димере, но были бы вредны для одиночного белка. Это сделало белок полностью зависимым от димерной формы.

Исследователи показали, что простые биохимические, генетические и эволюционные принципы делают закрепление молекулярных комплексов неизбежным. Ключевую роль играет универсальное правило биохимии:

• Белки состоят из аминокислот, которые могут быть гидрофильными (растворимыми в воде) или гидрофобными (растворимыми в масле).
• Обычно белки сворачиваются так, что гидрофильные аминокислоты находятся снаружи, а гидрофобные — внутри.
• Мутации, делающие поверхность белка более гидрофобной, нарушают его сворачивание и удаляются очищающим отбором, если белок одиночный.

Однако если белок эволюционирует для образования мультимера, гидрофобные аминокислоты на поверхности интерфейса оказываются скрыты от воды. Они становятся «невидимыми» для очищающего отбора. Возврат к одиночному состоянию стал бы невозможен, так как обнажил бы теперь уже гидрофобную и вредную поверхность интерфейса.

Этот механизм был назван «гидрофобной защёлкой». Анализ обширной базы данных белковых структур показал, что подавляющее большинство интерфейсов димеров стали настолько гидрофобными, что димерная форма глубоко закрепилась.

Последствия для клеточной эволюии

Этот механизм, действуя на тысячи белков в течение сотен миллионов лет, может приводить к постепенному накоплению множества бесполезных комплексов внутри клеток.

«Некоторые комплексы, безусловно, имеют важные функции, но даже они будут закреплены «гидрофобной защёлкой», что делает их потерю более трудной, чем это было бы в противном случае», — пояснил Георг Хохберг. — «С постоянно работающей на заднем плане «защёлкой» наши клетки, вероятно, накопили огромный запас закреплённых комплексов, многие из которых никогда не выполняли полезной функции или давно перестали это делать».

В будущем учёные планируют исследовать, могут ли другие типы молекулярных взаимодействий в клетке быть результатом аналогичного механизма закрепления.