Эволюция зависит от редких случайных событий, показывают эксперименты «молекулярных путешествий во времени»

Команда эволюционных биологов, изучающих древние белки, превратила спекуляции об альтернативных исторических путях в эксперимент. Они воскресили древнего предка важного человеческого белка, существовавшего сотни миллионов лет назад, и сгенерировали множество альтернативных эволюционных историй, которые могли бы произойти из этой исходной точки.

Исследователи обнаружили, что белок — клеточный рецептор гормона стресса кортизола (глюкокортикоидный рецептор, GR) — не смог бы развить свою современную функцию, если бы сначала не произошли две крайне маловероятные мутации. Эти «разрешающие» мутации не влияли на функцию белка, но без них белок не мог бы перенести более поздние мутации, которые привели к развитию его чувствительности к кортизолу.

Ключевые методы и результаты:

• Ученые использовали технику реконструкции предковых белков, чтобы синтезировать древний GR, каким он был около 450 миллионов лет назад.
• Они создали миллионы копий этого генетического шаблона с помощью метода, вносящего случайные мутации, имитируя возможные альтернативные эволюционные пути.
• Используя дрожжевые клетки, которые могли расти только при наличии функционального GR, они протестировали тысячи вариантов мутаций.
• Ни одна из альтернативных мутаций, кроме тех, что произошли в реальности, не смогла восстановить функцию белка и открыть путь к его современной форме.

Причина редкости:

Изучив влияние мутаций на физическую структуру древнего белка, исследователи показали, почему разрешающие мутации так редки. Чтобы оказать разрешающий эффект, мутация должна была стабилизировать конкретную часть белка, не стабилизируя другие регионы и не нарушая структуру. Очень немногие мутации могут удовлетворить всем этим узким ограничениям.

Значение:

• Результаты, опубликованные 16 июня в Nature, показывают, что непредсказуемость (контингентность) встроена в атомную структуру молекул.
• Эволюция зависит не только от внешних событий (падение астероидов, изменение климата), но и от внутренней сложности белков как физических объектов.
• Если бы эволюционную историю можно было перезапустить, мы, скорее всего, получили бы радикально другую биологию.

«Этот очень важный белок существует только благодаря повороту судьбы. Если наши результаты являются общими — а мы думаем, что это так, — то многие системы нашего тела работают так, как они работают, из-за очень маловероятных случайных событий, произошедших в нашем глубоком эволюционном прошлом», — сказал старший автор исследования Джо Торнтон, профессор экологии, эволюции и генетики человека в Чикагском университете.