Stebėtinai paprasta biochemijos taisyklė skatina nenaudingo sudėtingumo raidą

Naujas tyrimas rodo, kad baltymai be adaptacijos tampa biochemiškai priklausomi nuo kompleksinės sąveikos.

Naujas tyrimas Čikagos universitetas parodė, kad ilgainiui kaupiasi plačios baltymų struktūros, net jei jos neturi tikslo, nes universalus biocheminis bruožas ir genetinis kodas priverčia natūralią atranką jį išsaugoti. Darbai buvo baigti 2020 m. Gruodžio 9 d Žemė.

Dauguma baltymų mūsų ląstelėse suformuoja specifinius kompleksus su kitais baltymais, šis procesas vadinamas multimerizacija. Kaip ir kiti biologijos sudėtingumo tipai, manoma, kad multimerai evoliucijos metu išlieka, nes jie suteikia funkcinį pranašumą, kuriam pritaria natūrali atranka.

„Kaip išsivysto sudėtingumas, yra vienas didžiausių evoliucinės biologijos klausimų“, – sakė vyresnysis autorius Josephas Thorntonas, daktaras, žmogaus genetikos, ekologijos ir evoliucijos profesorius Čikagos universitete. Klasikinis paaiškinimas yra tas, kad turi egzistuoti plačios struktūros, nes jos suteikia organizmui funkcinį pranašumą, o natūrali atranka vis dar skatina vis sudėtingesnes sąlygas. Kai kuriais atvejais sudėtingumas yra pritaikomas, pavyzdžiui, akies raida: sudėtingos akys atrodo geriau nei paprastos. Tačiau molekuliniu lygiu mes nustatėme, kad yra ir kitų paprastų mechanizmų, kurie skatina sudėtingumo kaupimąsi. “

Mokslininkų grupė, vadovaujama Thorntono ir kolegos, podoktorantūros daktaro Georgo Hochbergo, ištyrė multimerizacijos raidą baltymų, vadinamų steroidinių hormonų receptoriais, šeimoje, kurie sujungiami poromis (vadinamais dimeriais).

Thorntonas naudojo metodą, vadinamą protėvių baltymų rekonstrukcija, tam tikra molekuline „kelione laiku“, laboratorijoje atkurdamas senovinius baltymus ir eksperimentiškai ištyręs, kaip juos paveikė mutacijos, įvykusios prieš šimtus milijonų metų.

Savo nuostabai jie nustatė, kad senovės baltymai, sudaryti dimeryje, neveikia kitaip, nei kad jie niekada nevirto dimerizuoti. Komplekso formavimui nebuvo nieko naudingo ar naudingo.

Paaiškinimas, kodėl dimerinė receptoriaus forma išlieka 450 milijonų metų, atrodo stebėtinai paprasta. „Šie baltymai palaipsniui tapo priklausomi nuo jų sąveikos, nors ir nesėkmingai“, – paaiškino Hochbergas, kuris dabar yra grupės lyderis Maxo Plancko institute Marburge, Vokietijoje. „Baltymo dalys, sudarančios sąsają, kur partneriai jungiasi, sukūrė mutacijas, kurios buvo tolerantiškos po dimerio išsivystymo, tačiau būtų pavojingos solo būsenoje. Jis turėjo baltymą, visiškai priklausantį nuo dimerinės formos, ir jis negalėjo grįžti atgal. Nenaudingas sudėtingumas įtvirtintas, iš esmės amžinai. “

Tyrėjai parodė, kad dėl paprastų biocheminių, genetinių ir evoliucinių principų molekulinių kompleksų apsidraudimas yra neišvengiamas. Kiekvieną baltymą koduojantys genai kartos buvo nuolat mutuojami, daugelis jų sutrikdys baltymo gebėjimą tinkamai susilenkti ir tinkamai veikti. Natūralios atrankos forma, vadinama grynąja atranka, pašalina šias žalingas populiacijos mutacijas.

Kai baltymas vystosi multimerizacijai, sąsają sudarančiose dalyse gali kauptis mutacijos, kurios būtų kenksmingos, jei baltymas būtų solo būsenoje, jei tik jis gali būti toleruojamas multimeroje. Tada gryninanti atranka įtvirtina sudėtingą formą, neleisdama grįžti į solo būseną.

Tyrėjai parodė, kad yra įsitvirtinusi paprasta ir universali biochemijos taisyklė. Baltymai susideda iš amino rūgštis, kuris gali būti vandenyje tirpus arba hidrofobiškas, o tai reiškia, kad jis lengvai ištirpsta aliejuje, bet ne vandenyje. Paprastai baltymai sulankstomi taip, kad vandenyje tirpios amino rūgštys būtų išorėje, o hidrofobinės – viduje. Mutacijos, dėl kurių baltymo paviršius labiau tirpsta aliejuje, turi įtakos jo sulankstymui, o gryninamoji atranka pašalina jį, jei jis atsiranda atskiruose baltymuose.

Tačiau, kai baltymas vystosi multimerizacijai, hidrofobinės aminorūgštys sąsajoje yra paslėptos nuo vandens ir nematomos selekcijai išvalyti. Tuomet yra įsitvirtinęs multimeras, nes grįžimas į solo būseną atskleis dabar aliejuje tirpstančią ir kenksmingą sąsają.

Atrodo, kad šis „hidrofobinis barškėjimas“ yra universalus. Tyrėjai išanalizavo didžiulę baltymų struktūrų duomenų bazę, įskaitant šimtus dimerių ir susijusių solo baltymų, ir nustatė, kad didžioji dauguma sąsajų tapo tokios hidrofobiškos, kad dimerinė forma buvo giliai įsitvirtinusi.

Šis mechanizmas, veikiantis šimtus milijonų metų tūkstančiams baltymų, gali sukelti laipsnišką daugelio nenaudingų kompleksų kaupimąsi ląstelėse.

„Kai kurie kompleksai, be abejo, atlieka svarbias funkcijas, tačiau net ir tuos įtvirtins hidrofobinė barškuolė, todėl ją bus sunkiau prarasti, nei būtų kitaip“, – sakė Hochbergas. “Kadangi barškuolė nuolat dirba fone, mūsų kameros tikriausiai sukaupė daug įsisenėjusių kompleksų, kurių daugelis niekada neturėjo naudingos funkcijos arba jau seniai nebedirba”.

Ateities kryptys apima tyrimą, ar dėl apsidraudimo gali atsirasti kitokia sąveika, išskyrus multimerizaciją. „Tai buvo istorija apie baltymų nykimą su kitomis savo kopijomis, o tai yra labai dažnas procesas“, – sakė Thorntonas. “Tačiau ląstelėse yra daugybė kitų sąveikų, ir mes manome, kad įmanoma, kad kai kurios iš jų susikaupė evoliucijos metu dėl panašios priklausomybės nuo molekulinio sudėtingumo”.

Nuoroda: 2020 m. Gruodžio 9 d. Georg KA Hochberg, Yang Liu, Erik G. Marklund, Brian PH Metzger, Arthur Laganowsky ir Joseph W. Thornton, „Hidrofobinis raketė įtvirtina molekulinius kompleksus“, Žemė.
DOI: 10.1038 / s41586-020-3021-2

Tyrimą „Hidrofobinis raketė įtvirtina molekulinius kompleksus“ palaikė Čikagos stipendija ir Nacionaliniai sveikatos institutai (R01GM131128 ir R01GM121931). Papildomi autoriai yra Brianas PH Metzgeris iš Čikagos universiteto, Yangas Liu ir Arthuras Laganowsky iš A&M universiteto Teksase ir Erikas G. Marklundas iš Upsalos universiteto.

Related articles

Comments

LEAVE A REPLY

Please enter your comment!
Please enter your name here

Share article

Latest articles

Tyrėjai kuria greitesnę tinklo analizę, kad pasiūlytų algoritmus, kurie padidintų paiešką internete

MIT tyrėjai sukūrė programinę įrangą, kad grafikos programinė įranga veiktų efektyviau įvairiuose skaičiavimo įrenginiuose, įskaitant procesorius ir GPU.Paskola „Istockphoto“ vaizdus redagavo „MIT News“ Diagramos,...

Naujų atradimų apie milijardus mikrobų pavertimą mūsų kūnu pavertimas įvairiomis ligomis

Įvairūs MIT tyrėjai naujus atradimus apie milijardus mikrobų paverčia žmogaus kūnu įvairiausių ligų gydymu. Įvairūs mokslininkai naujus atradimus apie milijardus mikrobų paverčia kūnu įvairiausių ligų...

MIT neurologai nustato hipokampo smegenų sąsają, koduojančią įvykių laiką

MIT neuromokslininkai nustatė, kad hipokampo CA2 regione esančios piramidinės ląstelės (žalios) yra atsakingos už kritinės informacijos saugojimą. Kreditas: „Tonegawa Lab“, redagavo „MIT News“ Išvados...

Vibruojančių molekulių naudojimas medžiagos bangų savybėms tirti

HD + molekuliniai jonai (geltonos ir raudonos taškų poros) jonų gaudyklėje (pilka) yra apšvitinti lazerio banga (raudona). Tai sukelia kvantinį šuolį pakeistų molekulių joninės...

Naujas dizainas pagerina naujos kartos perovskitų kraujo ląstelių efektyvumą

Autorius: Davidas L. Chandleris, Masačusetso technologijos institutas 2021 m. Vasario 27 d Šiame paveikslėlyje perovskito fotovoltai fone rodomi su atskirais perovskito kristalais, kurie rodomi kaip...

Newsletter

Subscribe to stay updated.