Светящиеся медузы помогли учёным из РФ раскрыть тайны эволюции белков

12 мая 2016 года | Россия

Учёные из России и зарубежных стран впервые смогли проследить за тем, как мутации в сложных белковых молекулах влияют друг на друга и на работу всего белка в целом, изучив тысячи разных вариантов белка, заставляющего медуз светиться зелёным цветом, говорится в статье, опубликованной в журнале «Nature».

«Нас интересовал вопрос, как накапливающиеся в белке мутации взаимодействуют между собой, и как часто это может происходить в белковой эволюции. Мы придумали способ одновременно измерить функциональность десятков тысяч мутантов одного белка и воспользовались им, чтобы определить, как влияние мутаций на яркость зелёного флуоресцентного белка зависит от присутствия в гене других мутаций», — объясняет Карен Саркисян из Института биоорганической химии РАН в Москве.

Саркисян и его коллеги, в том числе учёные из МФТИ, МГУ, Нижегородской медицинской академии и Института белка РАН, составили первую карту так называемого «ландшафта приспособленности». Под этим словом учёные понимают гигантскую «матрицу» из всех возможных мутаций в одном гене, каждая из которых или взаимодействие которых особым образом влияет на выживание организма в целом.

Подобные «ландшафты», как рассказывают генетики, давно интересуют учёных, однако их изучение было затруднено техническими возможностями. Даже самые простые белки, важные для выживания живых существ, состоят из многих сотен звеньев-аминокислот, и для изучения влияния каждой из них на устройство этого генетического мира потребовались бы годы, если бы не десятилетия.

Эту проблему Саркисяну и его коллегам помог решить ген GFP — участок ДНК медуз вида Aequorea victoria, содержащий в себе инструкции по сбору молекул одноимённого белка, светящегося зелёным светом при облучении ультрафиолетом или синим цветом. Сила свечения этой молекулы, как объясняют генетики, зависит от того, как «свернут» белок и как его аминокислоты взаимодействуют друг с другом, что позволило российским учёным и их зарубежным коллегам изучить то, как несколько десятков тысяч мутаций в GFP влияют на его работу.

Руководствуясь этой идеей, учёные подготовили примерно 50 тысяч мутантных версий GFP, вставленных в клетки обычной кишечной палочки, и рассортировали бактерий по яркости, используя специальный прибор-сортер. После этого биологи расшифровали ДНК микробов и сопоставили изменения в структуре белка и гена с тем, как менялась яркость его свечения.

Как оказалось, генетический «ландшафт приспособленности» был крайне суровым — три из четырёх мутаций оказывались вредными для работы GFP, и появление каждой новой мутации такого рода усугубляло негативное действие последующих изменений в структуре гена.

«Мы ожидали увидеть, что друг на друга будут влиять аминокислоты, расположенные близко в структуре белка. Вместо этого оказалось, что пары взаимодействующих мутаций распределены по структуре белка, на первый взгляд, довольно случайно», — добавляет Дмитрий Болотин, коллега Саркисяна по институту. По его словам, это необычный факт может скрывать в себе природный механизм защиты белков от накопления чрезмерного количества мутаций.

Данное открытие, как считают авторы статьи, может быть ключом к пониманию того, почему многие болезни, предположительно связанные с генетическими факторами, обусловлены не единичными мутациями в одном ключевом гене, а десятками и даже сотнями мелких «опечаток» в структуре множества генов. Изучение «ландшафтов приспособленности» у этих белков, надеются учёные, поможет найти ключ к решению данной проблемы.

— Источник цитирования