Белок доказал одностороннее движение эволюции
Изучение, совершённое американскими генетиками, продемонстрировало, что по крайней мере на молекулярном уровне эволюция может двигаться лишь вперёд, не имея возможности возвратиться назад кроме того при повторном появлении прошлых условий среды. Что же вынудило природу поставить заслоны на дорогах отхода и без того ли необратимы эволюционные процессы в действительности?
«Изучающие эволюцию биологи продолжительное время пробовали осознать, может ли процесс пойти в обратную сторону. Но какое количество-нибудь значимых изучений в данной области не было, поскольку учёные довольно часто не воображают, какими чертами владели предки и какими дорогами они эволюционировали в современную форму», — говорит в пресс-релизе университета Орегона ведущий исследователь Джо Торнтон (Joe Thornton).
Американские биологи забрали как пример эволюцию белка глюкокортикоидного рецептора (glucocorticoid receptor), что находился у давешнего предка людей (одного из первых позвоночных) ещё 400 миллионов лет назад. Белок данный связывается с гормоном кортизолом (cortisol) и регулирует иммунитет, метаболизм, поведение, ответную реакцию на стресс человека и других позвоночных.
Изучение белков на молекулярном уровне разрешило взять древние их версии вживую и «прокрутить» эволюционный процесс как назад, так и вперёд. В прошлых работах несколько Торнтона сравнила некоторых из современных животных и узнала, что первая версия глюкокортикоидного рецептора показалась из старого белка, что был чувствительным к гормонам альдостерону (aldosterone), дезоксикортикостерону (DOC) и кортизолу.
Потом случились семь мутаций, каковые стали причиной сужению диапазона чувствительности, осталась реакция лишь на кортизол.
Так, прямой эволюционный путь биологам был уже известен. Осталось узнать, что будет, в случае если постараться вернуть современный белок к прошлому состоянию (вернуть его древние функции).
Для этого учёные «открутили назад» те самые семь мутаций.
Интервью доктора наук Джо Торнтона (на фото) возможно прослушать тут (MP3-файл, 5 мегабайт) (фото University of Oregon).
«Мы ожидали, что возьмём рецептор, похожий на предка глюкокортикоидного рецептора, но вместо него перед нами предстал мёртвый, нефункциональный белок», — говорит Торнтон. Из этого учёные сделали вывод, что не считая тех самых семи мутаций случились ещё какие-то трансформации, каковые стали как бы эволюционным храповиком.
Они не разрешали белку купить те же свойства, что существовали у него ранее.
Вот как поясняет случившееся Торнтон на примере смены интерьера в помещении. «Допустим, вы решили передвинуть кровать в спальне, а на её место поставить шкаф. Если вы внезапно надумаете вернуть кровать в прошлое положение, вам пригодится сперва убрать шкаф.
Вот и такие ограничивающие трансформации, как шкаф, мешают возврату к прошлому состоянию», — растолковывает Джо.
Дабы узнать, что же за дополнительные мутации имели место, Торнтон и его сотрудники создали кристаллы из «восстановленного» и современного белка. Помимо этого, они вычислили, каким должен был быть их старый предок (условно назвали AncGR1), существовавший на Земле около 450 миллионов лет назад.
Спустя 40 миллионов лет показался AncGR2, что, как мы уже знаем, чувствителен лишь к кортизолу.
Потом полученные кристаллы белков поместили в ускоритель частиц Advanced Photon Source. Полученные в нём замечательные рентгеновские лучи разрешили выяснить ядерную структуру образцов и отыскать те самые незамеченные ранее трансформации.
Оказалось, что смена функций белка стала причиной появлению ещё пяти своеобразных мутаций.
Тут представлены различия формы частей AncGR1 и AncGR2, определяющие чувствительность последнего к кортизолу (продемонстрирован фиолетовым цветом).
Изменение положение участка L111 (продемонстрировано стрелкой) ведет к появлению водородной связи (красная прерывистая линия). Трансформации в других группах улучшают купленную функцию (иллюстрация Nature).
В то время, когда учёные сперва «вернули на место» пять, а после этого ещё семь генетических трансформаций, белок стал таким же, как и его старый предок. Причём эти самые пять трансформаций никак не оказали влияние на функциональность белка, отмечают биологи. «Это указывает, что кроме того если бы древние функции пригодились белку на данный момент, у естественного отбора не было бы дорог, по которым он имел возможность бы привести белок в прошлое состояние», — подводит результат Джо.
«Это наилучшее свидетельство того, что на молекулярном уровне эволюция необратима», — думает не участвовавший в данном изучении доктор наук эволюционной биологии и экологии Майкл Роуз (Michael Rose) из университета Калифорнии в Ирвине.
То, что на протяжении эволюционных процессов «сжигаются мосты», вероятно значит, что сегодняшние формы судьбы отнюдь не совершенны либо не являются вариантом, к которому природа неизбежно пришла бы в итоге. Прошлые формы белка уже не считаются эволюционно вероятными, а какое количество ещё таких «отходных дорог» было закрыто за всю историю существования живых организмов?
«В случае если процесс, что мы замечаем на примере глюкокортикоидного рецептора, распространённое явление, то отечественная нынешняя судьба имеется не что иное, как одна из множества вероятных сторон эволюционной игральной кости», — сравнивает Торнтон. Само собой разумеется, рановато делать выводы об этом по одному белку.
Как раз исходя из этого Джо и его сотрудники собираются продолжить изучения в данной области и, быть может, найти другие «черты» и необратимые белки.
При возврата пяти «храповых» мутаций на их прошлое место и последующего трансформации остальных семи «неработающий» AncGR2 снова получает свойство ощущать кортизол (его линия фиолетовая), альдостерон (голубая целая) и DOC (голубая прерывистая) (иллюстрация Nature).
Тем временем другие учёные показывают, что нет всецело аналогичного пути назад, но так как существуют и другие варианты возврата к исходному состоянию. Так, Роуз в собственных изучениях заключил , что появление ограничивающих мутаций не происходит в течение маленьких периодов времени. «Нынешняя публикация в издании Nature говорит нам о том, что для закрытия отходных дорог нужно, дабы миллионы поколений поменяли 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 второе). В реальности, в случае если популяции организмов под давлением селекции внезапно пригодится вернуть ту либо иную линии, то у неё в запасе сохранится ещё множество «обратимых» генов, через каковые она разными дорогами сможет возвратиться к исходному состоянию.
Дэниел Фалуш (Daniel Falush) из университета Корка согласен с Линчем и считает, что (при происхождения необходимости) возвратиться к чертам и прежним функциям возможно не только обратным путём, но и через множество обходных манёвров. И не смотря на то, что структурные преграды для прямого возвращения рецептора кортизола к исходному состоянию громадны, будет весьма тяжело доказать, что для него не существует никаких вторых вариантов.
