Производство горчичных масел: о происхождении фермента
В эволюционной гонке вооружений небольших изменений может быть достаточно для получения решающего преимущества. Учёные из Института химической экологии Общества Макса Планка выяснили, что предок гена, участвующего в создании химической защиты у растений семейства капустных (Brassicaceae), таких как рапс и капуста, изначально имел совершенно иную функцию — участвовал в образовании лейцина, незаменимой для человека аминокислоты. Лишь небольшие изменения в структуре фермента позволили ему взять на себя новые задачи, которые, как показало исследование, повышают выживаемость растений.
Растения семейства капустных, например резуховидка Таля (Arabidopsis thaliana), производят глюкозинолаты (горчично-масличные гликозиды) для защиты от травоядных. При поедании растений личинками насекомых глюкозинолаты гидролизуются с образованием токсичных изотиоцианатов — так называемая "горчично-масличная бомба".
Синтез различных боковых цепей глюкозинолатов катализируют специальные ферменты. Учёные изолировали один из них, метилтиоалкилмалатсинтазу (MAM), и обнаружили, что он сильно напоминает другой фермент с совершенно иной функцией — изопропилмалатсинтазу (IPMS), участвующую в синтезе аминокислоты лейцина. Однако между IPMS и MAM есть два ключевых структурных различия:
- В MAM отсутствуют последние 120 аминокислот.
- В активном центре фермента, где связываются субстраты, две аминокислоты были заменены.
Гены IPMS присутствуют у эубактерий, архей, водорослей и высших растений, но не у животных. В модели Arabidopsis thaliana IPMS состоит из цепи в 631 аминокислоту. Функция IPMS — связывать 2-оксоизовалерат и ацетил-КоА для производства предшественников лейцина. Активность фермента регулируется механизмом обратной связи, расположенным в последних 120 аминокислотах цепи.
"Мы обнаружили, что отсутствующие 120 аминокислот не только инактивируют регуляцию фермента, но и полностью меняют архитектуру MAM", — говорит Джонатан Гершензон. Их отсутствие приводит к расширению активного центра, который теперь может связывать более крупные субстраты и производить совершенно новые продукты. Поэтому MAM синтезирует предшественники глюкозинолатов, а не лейцина.
Исследователи предполагают, что после дупликации последовательности ДНК IPMS миллионы лет назад "копия" потеряла фрагмент, кодирующий последние 120 аминокислот. Эта потеря оказалась эволюционно выгодной: она позволила растениям производить глюкозинолаты для защиты. В ходе дальнейшей эволюции отдельные мутации в активном центре формирующегося фермента MAM ускорили синтез глюкозинолатов за счёт лучшего связывания субстратов.
Эти предположения были подтверждены в ходе обширных экспериментов in vitro. Способ возникновения MAM, вероятно, типичен для появления новых фенотипов из разнообразия генетической информации. Это ещё один пример того, как небольшие изменения могут привести к появлению нового оружия в эволюционной гонке вооружений между растениями и травоядными.