Белок доказал одностороннее движение эволюции

Исследование, проведённое американскими генетиками, показало, что по крайней мере на молекулярном уровне эволюция может двигаться только вперёд, не имея возможности вернуться назад даже при повторном появлении прежних условий среды. Что же заставило природу поставить заслоны на путях отхода и так ли необратимы эволюционные процессы на самом деле?

«Изучающие эволюцию биологи долгое время пытались понять, может ли процесс пойти в обратную сторону. Однако сколько-нибудь значимых исследований в этой области не было, так как учёные часто не представляют, какими чертами обладали наши предки и какими путями они эволюционировали в современную форму», — рассказывает в пресс-релизе университета Орегона ведущий исследователь Джо Торнтон (Joe Thornton).

Американские биологи взяли в качестве примера эволюцию белка глюкокортикоидного рецептора (glucocorticoid receptor), который присутствовал у давнего предка людей (одного из первых позвоночных) ещё 400 миллионов лет назад. Белок этот связывается с гормоном кортизолом (cortisol) и регулирует иммунитет, метаболизм, поведение, ответную реакцию на стресс человека и прочих позвоночных.

Изучение белков на молекулярном уровне позволило получить древние их версии вживую и «прокрутить» эволюционный процесс как назад, так и вперёд. В предыдущих работах группа Торнтона сравнила некоторых из современных животных и выяснила, что первая версия глюкокортикоидного рецептора появилась из древнего белка, который был чувствительным к гормонам альдостерону (aldosterone), дезоксикортикостерону (DOC) и кортизолу. Далее произошли семь мутаций, которые привели к сужению диапазона чувствительности, осталась реакция только на кортизол.

Таким образом, прямой эволюционный путь биологам был уже известен. Осталось выяснить, что будет, если попытаться вернуть современный белок к прежнему состоянию (восстановить его древние функции). Для этого учёные «открутили назад» те самые семь мутаций.

«Мы ожидали, что получим рецептор, похожий на предка глюкокортикоидного рецептора, но вместо него перед нами предстал мёртвый, нефункциональный белок», — говорит Торнтон. Из этого учёные сделали вывод, что кроме тех самых семи мутаций произошли ещё какие-то изменения, которые стали как бы эволюционным храповиком. Они не позволяли белку приобрести те же свойства, что существовали у него ранее.

Вот как поясняет произошедшее Торнтон на примере смены интерьера в комнате. «Положим, вы решили передвинуть кровать в спальне, а на её место поставить шкаф. Если вы вдруг надумаете вернуть кровать в прежнее положение, вам понадобится сначала убрать шкаф. Вот и такие ограничивающие изменения, как шкаф, мешают возврату к прежнему состоянию», — объясняет Джо.

Чтобы выяснить, что же за дополнительные мутации имели место, Торнтон и его коллеги создали кристаллы из «восстановленного» и современного белка. Кроме того, они рассчитали, каким должен был быть их древний предок (условно назвали AncGR1), существовавший на Земле около 450 миллионов лет назад. Спустя 40 миллионов лет появился AncGR2, который, как мы уже знаем, чувствителен только к кортизолу.

Впоследствии полученные кристаллы белков поместили в ускоритель частиц Advanced Photon Source. Полученные в нём мощные рентгеновские лучи позволили определить атомную структуру образцов и найти те самые незамеченные ранее изменения. Оказалось, что смена функций белка привела к появлению ещё пяти специфических мутаций.

Когда учёные сначала «вернули на место» пять, а затем ещё семь генетических изменений, белок стал таким же, как и его древний предок. Причём эти самые пять изменений никак не повлияли на функциональность белка, отмечают биологи. «Это означает, что даже если бы древние функции понадобились белку сейчас, у естественного отбора не было бы путей, по которым он мог бы привести белок в прежнее состояние», — подводит итог Джо.

«Это наилучшее свидетельство того, что на молекулярном уровне эволюция необратима», — полагает не участвовавший в данном исследовании профессор экологии и эволюционной биологии Майкл Роуз (Michael Rose) из университета Калифорнии в Ирвине.

То, что во время эволюционных процессов «сжигаются мосты», может означать, что сегодняшние формы жизни отнюдь не идеальны или не являются вариантом, к которому природа неизбежно пришла бы в конце концов. Прежние формы белка уже не считаются эволюционно возможными, а сколько ещё таких «отходных путей» было закрыто за всю историю существования живых организмов?

«Если процесс, который мы наблюдаем на примере глюкокортикоидного рецептора, распространённое явление, то наша нынешняя жизнь есть не что иное, как одна из множества возможных сторон эволюционной игральной кости», — сравнивает Торнтон. Конечно, рановато судить об этом по одному белку. Именно поэтому Джо и его коллеги планируют продолжить исследования в этой области и, возможно, отыскать другие «необратимые» белки и черты.

Тем временем другие учёные говорят о том, что нет полностью идентичного пути назад, но ведь существуют и другие варианты возврата к исходному состоянию. Так, Роуз в своих исследованиях пришёл к выводу, что появление ограничивающих мутаций не происходит в течение коротких периодов времени. «Нынешняя публикация в журнале Nature рассказывает нам о том, что для закрытия отходных путей необходимо, чтобы миллионы поколений сменили друг друга», — говорит он.

Майкл Линч (Michael Lynch) из университета Индианы отмечает: нельзя считать, что эволюционный процесс происходит скачками между двумя чистыми состояниями, как химическая реакция (было одно, а стало другое). В реальной жизни, если популяции организмов под давлением селекции вдруг понадобится вернуть ту или иную черту, то у неё в запасе сохранится ещё множество «обратимых» генов, через которые она различными путями сможет вернуться к исходному состоянию.

Дэниел Фалуш (Daniel Falush) из университета Корка согласен с Линчем и полагает, что (в случае возникновения необходимости) вернуться к прежним функциям и чертам можно не только обратным путём, но и через множество обходных манёвров. И хотя структурные барьеры для прямого возвращения рецептора кортизола к исходному состоянию велики, будет очень трудно доказать, что для него не существует никаких других вариантов.

Ссылка на источник

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.