15:46

Новизна и сложность белков ядерных рецепторов – результат эволюционных изменений

Реконструировав древний белок и отследив произошедшие в нем за длительный период времени тонкие изменения, ученые сравнили его структуру со структурой его современных потомков и показали, как эволюция развивала ранние формы, оставляя при этом впечатление, что их усложнение у разных групп животных шло независимо и возникало многократно.

Атомная структура ядерных рецепторных белков отражает эволюцию структуры древних белков-предшественников. Схематическое изображение показывает наложенные друг на друга атомные структуры пяти не близкородственных ядерных рецепторов, активируемых разными химическими сигналами. Цветные цилиндры показывают положение стабильной штопорообразной спирали в атомной структуре рецептора; белые нити – пластичные петли. Химические сигналы, включая гормоны, жирные кислоты, ретиноиды и другие молекулы, показаны как серые сферы. Способность белков активироваться различными сигналами объясняется тонкими изменениями в размере и поверхностных свойствах «кармана», в котором связывается сигнал, а не кардинальным изменением структуры рецептора. (Credit: Courtesy of Joseph Thornton).

«Клетки человека и других животных содержат тысячи белков с функциями настолько сложными и различными, что часто трудно проследить путь их эволюции от нескольких белков-предшественников», - говорит руководитель исследования биолог Джозеф Торнтон (Joseph W. Thornton) из Университета Орегона (University of Oregon) и Медицинского института Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute).

Группа Торнтона, в которую входили ученые из Университета Квинсленда (University of Queensland), Австралия, и Университета Эмори (Emory University) в Атланте, штат Джорджия, изучала большое семейство родственных белков, называемых ядерными рецепторами. Эти рецепторы регулируют развитие, размножение, обмен веществ и рак, активируя экспрессию определенных генов в ответ на гормональные стимулы, питательные вещества и другие химические сигналы.

Однако многие ядерные рецепторы не нуждаются в химических сигналах: они достаточно стабильны, чтобы экспрессировать ген самостоятельно. Долгое время ученые считали, что древние белки были белками как раз такого простого типа, подразумевая, что сложная способность взаимодействовать с химическими сигналами и регулироваться ими развивалась независимо во многих линиях.

Используя базы данных молекулярных последовательностей, функций и атомных структур сотен современных рецепторных белков, исследователи реконструировали биохимические свойства древних ядерных рецепторов, которые существовали до последнего общего предка всех животных на Земле – ни много ни мало, миллиард лет назад.

Они обнаружили, что древние предки современных рецепторов действительно требовали активации химическим сигналом – скорее всего, жирными кислотами, классом веществ, постоянно встречающихся в рационе животных. Они установили, что лежащий в основе атомный механизм, позволявший древним белкам активироваться химическими сигналами, был сохранен практически у всех их современных потомков.

Затем исследователи проследили, как структура белков изменялась в процессе эволюции. Они установили, что в различных линиях рецепторы развили «партнерские отношения» с новыми гормонами или другими сигналами в результате того, что несколько мутаций незначительно изменили размер и форму полости, с которой взаимодействовало сигнальное соединение. Другие члены семейства рецепторов стали независимыми от химических сигналов. Эти белки, как выключатели, застрявшие в положении «включено», развились, когда простые мутации увеличили их внутреннюю стабильность, устранив необходимость взаимодействовать с химическим сигналом для активации экспрессии гена.

«Если сравнивать рецепторы современного человека, эволюционные события, в результате которых они развились, нельзя назвать очевидными. Это выглядит так, как если бы сложные функции каждого белка развивались независимо», - говорит Торнтон, профессор Центра по проблемам экологии и эволюционной биологии (Center for Ecology and Evolutionary Biology) Университета Орегона. «Но когда мы прослеживаем эволюцию этих белков, мы видим, как она потрудилась над более ранними формами, создавая невероятное разнообразие белковых функций и способность взаимодействовать со многими различными химическими сигналами».

Группа Торнтона смогла точно реконструировать древний рецепторный белок, собрав обширные новые данные о его потомках у видов, которые очень рано отделились от других животных. Сначала, чтобы собрать молекулярные последовательности их ядерных рецепторов, они просканировали геномы губок, морских анемонов и ряда других видов. Как выяснилось, губки имеют всего два таких белка, в то время как у человека их 48. Реконструировав эволюционное дерево всего семейства рецепторов, они обнаружили, что два белка губок выделились в отдельную линию очень близко к основанию дерева, что дало возможность более точно представить вероятную структуру предка.

Затем ученые выделили рецепторы из Amphimedon queenslandica, губки с Большого Барьерного рифа, и показали, что они, как и некоторые другие давно эволюционирующие рецепторы, связывают жирные кислоты. Использовав вычислительные методы, они получили вероятную трехмерную атомную структуру белков губок, и показали, что эти белки связывают жирные кислоты в полостях, очень похожих на полости некоторых рецепторов млекопитающих.

«Ядерные рецепторы – большая тема в эволюции белков», - говорит Торнтон. «Вполне вероятно, что, если исследовать так же подробно другие семейства белков, то выяснится, что и они диверсифицировали аналогичным образом. То, что выглядит как новшество, оказывается результатом тонких эволюционных изменений чего-либо очень старого».

Исследование финансировалось Национальным научным фондом США (National Science Foundation), Национальным институтом здравоохранения США (National Institutes of Health), Австралийским исследовательским советом (Australian Research Council) и Медицинским институтом Говарда Хьюза (Howard Hughes Medical Institute).

Источник


Просмотров: 1509
Рейтинг: 0.0/0
Добавлено: 11.10.2010

Темы: белки, ядерные рецепторы, Новизна, эволюция белков, Amphimedon queenslandica, Сложность
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]