Генетические мутации-«храповики» делают эволюцию необратимой
Исследователи из Университета Орегона обнаружили, что эволюция не может идти вспять, поскольку пути к генам, которые когда-то присутствовали у наших предков, навсегда заблокированы. Результаты первого строгого изучения обратной эволюции на молекулярном уровне опубликованы в выпуске журнала Nature от 24 сентября.
Команда использовала компьютерную реконструкцию последовательностей генов предков, синтез ДНК, белковую инженерию и рентгеноструктурный анализ, чтобы «воскресить» и изучить ген ключевого гормонального рецептора, каким он существовал у наших самых ранних позвоночных предков более 400 миллионов лет назад. Они обнаружили, что за короткий период пять случайных мутаций вызвали тонкие изменения в структуре белка, которые оказались совершенно несовместимы с его первоначальной формой.
Открытие «сжигания эволюционных мостов» предполагает, что современные формы жизни на Земле могут быть ни идеальными, ни неизбежными, — заявил профессор Джо Торнтон.
Команда Торнтона сосредоточилась на эволюции белка под названием глюкокортикоидный рецептор (GR), который связывает гормон кортизол и регулирует реакцию на стресс, иммунитет, метаболизм и поведение у человека и других позвоночных.
В предыдущей работе группа показала, что первый GR эволюционировал более 400 миллионов лет назад из белка-предка, который также был чувствителен к гормону альдостерону. Затем они выявили семь древних мутаций, которые вместе привели к появлению у рецептора новой специфичности к кортизолу.
Узнав, как развивалась современная функция GR, учёные задались вопросом, можно ли вернуть её к предковой функции. Они «воскресили» GR, каким он существовал вскоре после появления специфичности к кортизолу, и обратили вспять семь ключевых мутаций.
«Мы ожидали получить рецептор, реагирующий на оба гормона, как у предка, но вместо этого получили полностью неактивный, нефункциональный белок», — сказал Торнтон. — Похоже, другие мутации, произошедшие во время ранней эволюции GR, сыграли роль своего рода эволюционного храповика, сделав белок неспособным переносить черты предка, которые существовали всего чуть раньше».
Чтобы идентифицировать эти мутации, команда подготовила кристаллы древних белков GR и с помощью мощных рентгеновских лучей определила атомную структуру белка до и после смены функции. Сравнив точные атомные карты каждого белка, они выявили пять конкретных мутаций в более поздней версии GR, которые конфликтовали со структурой более раннего белка.
«Представьте, что вы переставляете мебель в спальне — сначала вы передвигаете кровать, затем ставите комод на место кровати. Если вы решите вернуть кровать обратно, вы не сможете этого сделать, пока не уберёте комод. Ограничивающие мутации в GR предотвратили эволюционный откат таким же образом».
Когда группа вернула эти пять мутаций в их предковое состояние, белок снова смог перенести обращение семи ключевых изменений, что превратило его в рецептор, реагирующий на оба гормона, как у его предка.
Несмотря на свою мощную роль храповика, пять ограничивающих мутаций в момент своего возникновения практически не влияли на функцию белка. И хотя их необходимо обратить до того, как белок сможет переносить предковое состояние, их обращение само по себе ничего не делает для восстановления древней функции.
«Это означает, что даже если предковая функция внезапно снова станет оптимальной, естественный отбор не сможет напрямую вернуть белок к его предковой форме», — пояснил Торнтон.
Эволюционная необратимость GR предполагает, что молекулы, которые управляют нашей биологией сегодня, могут не быть неизбежными продуктами эволюционного процесса.
«Если бы мы могли перемотать время назад и позволить истории развернуться снова, почти наверняка произошли бы другие наборы мутаций, казалось бы, незначительных в тот момент, открыв одни потенциальные пути и заблокировав другие — включая тот, что привёл к настоящему, которое фактически сложилось в нашем мире», — сказал он. — Если то, что мы наблюдали в эволюции GR, является общим явлением, то наша биология — всего лишь один из многих возможных бросков эволюционных костей».