Ранняя эволюция максимизировала «проверку орфографии» белковых последовательностей

Ученые из Исследовательского института Скриппса выяснили, как фермент, добавляющий аминокислоту аланин к белкам, обзавелся собственной системой проверки ошибок. В статье, опубликованной 7 августа 2009 года в журнале Science, профессор Пол Шиммель и его коллеги показали, что две отдельные функции — добавление аланина и редактирование — были объединены в одном ферменте на ранних этапах эволюции, что значительно усилило эти активности.

Создание белков и проблема ошибок

Белки состоят из цепочек аминокислот, которые собираются рибосомами. Транспортные РНК (тРНК) доставляют к рибосомам специфические аминокислоты. Каждую аминокислоту к своей тРНК присоединяет свой фермент — аминоацил-тРНК-синтетаза. Однако иногда происходит ошибка, и тРНК загружается неправильной аминокислотой (мисацилирование).

В 2006 году группа Шиммеля показала, что когда фермент аланил-тРНК-синтетаза (AlaRS) ошибочно присоединяет не аланин к своей тРНК (тРНК^Ala), это приводит к накоплению неправильно свернутых белков и вызывает тяжелое неврологическое заболевание у мышей.

Две функции в одном ферменте

Фермент AlaRS состоит из доменов:

• Аминоацилирующий домен — осуществляет химическую реакцию добавления аланина к тРНК^Ala.
• Редактирующий домен — удаляет ошибочно добавленные к тРНК^Ala аминокислоты, отличные от аланина.

Кроме того, в клетках существуют отдельные свободные редакторные ферменты AlaXp, которые могут исправлять ошибки, если их пропустил AlaRS.

Ключевая роль моста C-Ala

У AlaRS есть третий домен — C-Ala, который присутствует у этого фермента у всех живых видов. Исследователи определили его структуру методом рентгеновской кристаллографии и обнаружили, что C-Ala связывается с «локтем» L-образной молекулы тРНК^Ala.

Эксперименты по разборке и сборке фермента показали:

1. Аминоацилирующий домен сам по себе добавляет аланин, но не очень эффективно.
2. Добавление редактирующего домена вместе с C-Ala делает аминоацилирование значительно более эффективным.
3. Добавление редактирующего домена без C-Ala не влияет на активность.

Вывод: Домен C-Ala действует как функциональный мост, который усиливает взаимодействие между аминоацилирующим и редактирующим доменами, заставляя их работать синергетически.

Эволюционное значение

Анализ указывает, что у самых ранних организмов функции аминоацилирования и редактирования, вероятно, выполнялись отдельными ферментами. Однако из-за критической важности правильного добавления аланина эти две активности были объединены в один фермент с помощью домена C-Ala уже в период primordial life.

«Мы всегда представляли, что домены в эволюции соединяются линкерами. Но здесь линкер C-Ala действует так, что значительно усиливает их функции и позволяет им работать как настоящим партнерам», — объясняет Пол Шиммель.

Исследование демонстрирует, как эволюция оптимизировала точность синтеза белка, объединив и усилив ключевые функции проверки «орфографии» в одном молекулярном комплексе.