Историки могут только строить предположения о том, что могло бы быть, но группа эволюционных биологов, изучающих древние белки, превратила предположения в эксперимент. Они воскресили древнего предка важного человеческого белка, существовавшего сотни миллионов лет назад, а затем использовали биохимические методы для создания и описания огромного количества альтернативных историй, которые могли возникнуть из этой древней отправной точки.Прослеживая эти альтернативные пути эволюции, исследователи обнаружили, что белок — клеточный рецептор гормона стресса кортизола — не смог бы развить свою современную функцию, если бы не произошли две крайне маловероятные мутации.
Эти «разрешающие» мутации не влияли на функцию белка, но без них белок не мог переносить более поздние мутации, которые привели к развитию его чувствительности к кортизолу. Проанализировав тысячи альтернативных историй, исследователи не обнаружили альтернативных разрешающих мутаций, которые могли бы позволить современной форме белка развиться.
Исследователи описывают свои выводы 16 июня в Интернете в журнале Nature.«Этот очень важный белок существует только по иронии судьбы», — сказал старший автор исследования Джо Торнтон, доктор философии, профессор экологии. эволюция и генетика человека в Чикагском университете. «Если наши результаты являются общими — а мы думаем, что они, вероятно, таковы — то многие системы нашего тела работают так же, как и они, из-за очень маловероятных случайных событий, которые произошли в нашем глубоком эволюционном прошлом», — добавил он.Торнтон специализируется на реконструкции предковых белков — методике, использующей секвенирование генов и вычислительные методы для путешествия назад по эволюционному древу и определения вероятных последовательностей белков в том виде, в каком они существовали в глубоком прошлом. С помощью биохимических методов эти древние белки могут быть синтезированы и введены в живые организмы для изучения их функций.
Торнтон и другие ранее показали, что эволюция современных белков требовала пермиссивных мутаций в прошлом. Но никто никогда не исследовал, могло ли произойти много или мало других возможных разрешающих мутаций, поэтому оставалось неизвестным, насколько маловероятно, что эволюция открыла разрешительный путь к современной функции.Чтобы ответить на этот вопрос, Торнтон и соавтор Майкл Хармс, доктор философии из Университета Орегона, сосредоточились на глюкокортикоидном рецепторе (GR), ключевом белке в эндокринной системе, который регулирует развитие и стрессовые реакции в ответ на гормон кортизол.
Они воскресили ген предков GR в том виде, в каком он существовал около 450 миллионов лет назад, до того, как он развил свою способность специфически распознавать кортизол. Они включали несколько мутаций, произошедших несколько позже, которые позволили белку развить распознавание кортизола, но они не учли разрешающие мутации, что сделало белок нефункциональным.
Затем Торнтон и Хармс создали миллионы копий этого генетического шаблона, используя метод, который вводил случайные мутации в каждую новую копию, имитируя вариации, которые эволюция могла произвести в белке при альтернативных сценариях. Чтобы идентифицировать пермиссивные мутации в этих «возможных» путях, они сконструировали дрожжевые клетки, которые могли расти, только если они содержали функциональный GR, а затем ввели в них свою «библиотеку» мутировавших версий предковых GR. Если бы какая-либо из мутаций была разрешающей, они бы восстановили функцию GR и позволили бы дрожжам расти при воздействии кортизола.
Торнтон и Хармс протестировали многие тысячи вариантов, но не нашли ни одного, который восстанавливает функцию GR, кроме исторических мутаций, которые произошли на самом деле. «Среди огромного количества альтернативных возможных историй не было других разрешающих мутаций, которые могли бы открыть эволюционный путь к современной GR», — сказал Торнтон.Изучая влияние мутаций на физическую архитектуру древнего белка, Хармс и Торнтон также показали, почему разрешающие мутации так редки.
Чтобы вызвать пермиссивный эффект, мутация должна была стабилизировать определенную часть белка — ту же часть, дестабилизированную мутациями переключения функций — без стабилизации других областей или иного нарушения структуры. Они показали, что очень немногие мутации могут удовлетворять всем этим узким ограничениям.«Эти результаты показывают, что случайность — влияние случайных событий на развитие эволюции — встроена в атомную структуру молекул», — сказала Ирен Экстранд, доктор философии, Национальный институт общей медицины при Национальном институте здравоохранения.
Наук, которые обеспечили существенное финансирование исследований. «Если результаты верны для других систем, это будет очень важным вкладом в наше понимание того, как именно белки могут развить новые функции — процесс, который объясняет разнообразие жизни и происхождение генетической изменчивости».В то время как большинство предыдущих обсуждений исторической случайности в эволюции были сосредоточены на внешних событиях, таких как столкновения с астероидами, массовые вымирания, изменение климата, Торнтон и Хармс показали, что внутренняя сложность белков как физических объектов также делает эволюцию в значительной степени зависимой от случайных событий с низкой вероятностью.
«Очень интересно иметь возможность напрямую изучать альтернативные древние истории», — сказал Торнтон. «Если бы эволюционную историю можно было возобновить с исходных точек предков, мы почти наверняка закончили бы с совершенно иной биологией, чем та, которую мы имеем сейчас. Непредсказуемые генетические события постоянно открывают пути к одним эволюционным результатам и закрывают пути к другим, причем все внутри биохимические системы наших клеток.
Исследование было поддержано Национальным институтом общих медицинских наук (R01-GM104397. R01-GM081592 и F32-GM090650), Национальным научным фондом и Медицинским институтом Говарда Хьюза.