Распутывая истоки жизни
Исследователи из Лаборатории эволюционной биоинформатики Университета Иллинойса в сотрудничестве с немецкими учёными использовали методы биоинформатики, чтобы исследовать мир белков в поисках ответов на вопросы о происхождении жизни.
Белки состоят из цепочек аминокислот и сворачиваются в трёхмерные структуры, определяющие их функцию. По словам профессора Густаво Каэтано-Анольеса, о движущих силах эволюции этого сворачивания известно очень мало.
В сотрудничестве с учёными из Гейдельбергского института теоретических исследований он работает на стыке молекулярной эволюции и молекулярной динамики, изучая период около 3.8 миллиардов лет назад, когда белки впервые появились, чтобы определить изменения скорости свёртывания во времени.
Для этого они проанализировали все известные белковые структуры из базы данных Structural Classification of Proteins (SCOP) и их наличие в 989 полностью секвенированных геномах. В предыдущем исследовании группа Каэтано-Анольеса использовала SCOP и геномную информацию для реконструкции филогеномических деревьев, описывающих историю белкового мира. Текущее исследование основано на таких деревьях.
В отличие от стандартных филогенетических деревьев, где на концах находятся организмы, в этих деревьях "листьями" являются белковые домены — компактные эволюционные единицы структуры и функции. Белки обычно представляют собой сложные комбинации нескольких доменов.
В мире существует около 90 000 таких структур, но они, по-видимому, всегда производят одни и те же "дизайны" или фолды (укладки), определяемые способом сворачивания белковых цепей. На сегодня охарактеризовано примерно 1 300 фолдов.
В текущем исследовании учёные идентифицировали в геномах белковые последовательности с той же структурой укладки, что и у известных белков. Затем с помощью биоинформатических методов они сравнили их друг с другом во временном масштабе, чтобы определить, когда белки стали частью конкретного организма. Это позволило нанести белковые структуры и организмы на временную шкалу.
Непосредственный расчёт скорости свёртывания для всех этих белков был бы невозможен, поэтому исследователи использовали меру под названием Size Modified Contact Order (SMCO). Контактный порядок — это способность белка устанавливать связи между сегментами полипептидной цепи. Экспериментальные исследования показали, что он коррелирует со скоростью свёртывания. Мера нормализована, чтобы учесть длину белка, влияющую на скорость.
В результатах был обнаружен своеобразный паттерн.
"Мы видим песочные часы", — сказал Каэтано-Анольес. — "В начале белки, кажется, сворачиваются не так быстро. Затем, с течением времени, появляется тенденция к более быстрому сворачиванию. Затем достигается критическая точка, после которой тенденция меняется на противоположную и, кажется, возвращается к медленному сворачиванию". Однако тенденция к более высокой скорости преобладает.
Эта точка совпадает с тем, что он называет "Большим взрывом" в эволюции белков. Примерно 1.5 миллиарда лет назад с появлением многоклеточных организмов возникли более сложные доменные структуры и мультидоменные белки. Цепи аминокислот, из которых состоят белки, в этот период также стали короче.
Почему важна скорость свёртывания?
"Если белок не сворачивается, в подавляющем большинстве случаев он не будет иметь функции. Таким образом, свёртывание подразумевает функциональность. А скорость свёртывания подразумевает скорость достижения этой функциональности", — объяснил он. — "Для клетки это очень важно, потому что если белки сворачиваются очень медленно, возникает временной лаг, прежде чем эта функция станет доступной клетке".
Быстро сворачивающиеся белки также менее подвержены агрегации (слипанию), поэтому работают быстрее. Более того, белки, которые быстро сворачиваются, с большей вероятностью сворачиваются правильно. Неправильное сворачивание белков связывают с такими заболеваниями, как болезнь Альцгеймера.
Каэтано-Анольес отметил, что это исследование вносит важный вклад в понимание того, как работают молекулы. "Сложности биологических функций молекул всё ещё плохо изучены".
"Если мы смешаем мир молекулярной динамики с миром молекулярной эволюции, мы сможем определить, какие аспекты последовательностей важны для молекулярной динамики, и, следовательно, применить их в генной инженерии, синтетической биологии и так далее".