Эволюция зависит от редких счастливых совпадений

Возможно, счастливые совпадения очень сильно влияют на историю. Что было бы, если бы шофер Франца Фердинанда завернул в другую сторону и Герцог не оказался прямо перед своим убийцей? Или разгорелась бы тогда Первая Мировая Война? Пришел бы Гитлер к власти несколько десятилетий спустя?

Историки могут лишь высказывать предположения, однако команда эволюционных биологов, которая изучала древние белки, решила от предположений перейти к эксперименту. Ученые воскресили древнего предка важного белка человека в том виде, в котором он существовал сотни миллионов лет назад, после чего биохимическими методами создали и охарактеризовали огромное количество альтернативных историй, что могли бы развернуться от этой точки отсчета.

Проследив такие альтернативные эволюционные пути, ученые обнаружили, что один белок — клеточный рецептор гормона стресса кортизола — не мог получить свою современную функцию без того, чтобы в нем сначала состоялись две чрезвычайно редкие мутации. Такие “разрешительные” мутации никак не повлияли на функцию белка, однако без них белок не смог бы перейти позже в других мутаций, которые повлекли развитие у него чувствительности к кортизола. Ученые просмотрели тысячи альтернативных историй и не обнаружили никакой альтернативной разрешительные мутации, от которой могла бы образоваться современная форма белка. Исследователи описали свои результаты онлайн 16 июня в Nature.

“Этот чрезвычайно важный белок существует лишь случай судьбы”,- говорит главный автор исследования Джо Торнтон, PhD, профессор экологии и эволюции и генетики человека в Чикагском Университете. “Если наши результаты в целом правильные — а мы считаем, что это действительно так — получается, что множество систем нашего тела работает именно в известный нам способ исключительно через очень редкие счастливые случаи, которые произошли в далеком эволюционном прошлом”,- добавляет он.

Торнтон специализируется на реконструкции древних белков — технике, которая использует секвенирования генома и вычислительные методы для того, чтобы пройти вниз по дереву эволюции и найти вероятные последовательности белков, как они существовали в далеком прошлом. Благодаря биохимическим методам, такие древние белки можно синтезировать и ввести в живые организмы, чтобы исследовать их функцию.

Торнтон и другие ранее показали, что эволюция современных белков требует разрешительных мутаций в прошлом. Однако никто никогда не исследовал, насколько много или мало было других разрешительных мутаций, которые могли случиться, поэтому оставалась непонятной и вероятность того, что эволюция найдет разрешительный путь к современной функции.

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, Торнтон и его соавтор Майкл Хармс, PhD из Университета Орегон сосредоточились на глюкокортикоїдному рецепторе (ГР), ключевому белку эндокринной системы, который регулирует развитие и стрессовые ответы на гормон кортизол. Они возродили ген древнего ГР в таком виде, который он имел около 450 миллионов лет назад, до возникновения свойства специфически распознавать кортизол. После этого ученые включили некоторые мутации, которые случились несколько позже и позволили белка развить в себе это распознавание кортизола, но не включали разрешительные мутации, поэтому белок остался нефункциональным.

После этого Торнтон и Хармс создали миллионы копий генетического образца с помощью метода, который вводил случайные мутации в каждую новую копию, и таким образом имитировали изменения, которые могли возникнуть в белке при различных альтернативных сценариев. Для определения разрешительных мутации у таких “возможных” путях, ученые создали клетки дрожжей, которые могли расти только в том случае, если в них были функциональные ГР, после чего ввели в их “библиотеку” измененные версии древнего ГР. Если бы какая-то из мутаций оказалась разрешительной, они восстановили бы функцию ГР и позволили дрожжам расти в среде с кортизолом.

Торнтон и Хармс проверили много тысяч вариантов, но не нашли ни одного, который восстановил бы функцию ГР иначе, чем в тот исторический способ, который случился у нас с вами. “Среди огромного количества возможных альтернативных историй, не было никакой другой разрешительной мутации, которая открыла бы эволюционный путь до современного ГР”,- говорит Торнтон.

Исследуя влияния мутаций на физическую архитектуру древнего белка, Хармс и Торнтон также показали, почему разрешительные мутации возникают настолько редко. Для появления разрешительного эффекта, мутация должна стабилизировать специфическую часть белка — ту же часть, которая дестабилизируется мутациями перехода функции — и при этом не стабилизировать другие области, потому что тогда повредится структура. Как показали ученые, очень мало мутаций могут ответить таким ограничением.

“Результаты показали, что случайность — влияние очень редких событий на пути развития эволюции — встроенная в атомарную структуру молекул”,- говорит Ирен Экстранд,  из Национального института общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения США; она оказывала значительную финансовую поддержку данному исследованию. “Если результаты подтверждаются и для других систем, это будет очень весомым вкладом в наше понимание того, как белки могут развивать в себе новые функции — процесс, отвечающий за разнообразие жизни и происхождения генетических вариаций”.

В то время, когда большинство дискуссий по исторической случайности в эволюции сосредоточились на внешних событиях, как столкновение с астероидами, массовые вымирания или смена климата, Торнтон и Хармс показали, что внутренняя сложность белков как физических объектов также делает эволюцию сильно зависимой от редких случаев.
“Нас очень волнует то, что мы смогли непосредственно исследовать альтернативы в истории эволюции,- говорит Торнтон.- Если эволюционная история могла бы снова пойти от древних стартовых позиций, мы почти наверняка дошли бы до радикально иного биологического результата, чем имеем сейчас. Непредсказуемые генетические события постоянно открывают пути для некоторых эволюционных результатов и закрывают их для других, и все это внутри биохимических систем наших клеток”.

28.04.2015

Поделиться в соц. сетях

Опубликовать в Google Buzz
Опубликовать в Google Plus
Опубликовать в LiveJournal
Опубликовать в Мой Мир
Опубликовать в Одноклассники

Добавить комментарий