Историки могут только размышлять о том, что, возможно, было, но команда эволюционных биологов, изучающих древние белки, превратила предположение в эксперимент. Они возродили древнего предка важного человеческого белка, поскольку он существовал сотни миллионов лет назад и затем использовал биохимические методы, чтобы произвести и характеризовать огромное количество альтернативных историй, которые, возможно, последовали от той древней отправной точки.
Прослеживая эти альтернативные эволюционные пути, исследователи обнаружили, что белок – клеточный рецептор для гормонального кортизола напряжения – возможно, не развил свою современную функцию, если две крайне маловероятных мутации, оказалось, не развились сначала. Эти «разрешающие» мутации не имели никакого эффекта на функцию белка, но без них, белок не мог терпеть более поздние мутации, которые заставили его развивать свою чувствительность к кортизолу. В показе тысяч альтернативных историй исследователи не нашли альтернативных разрешающих мутаций, которые, возможно, позволили современной форме белка развиваться. Исследователи описывают свои результаты 16 июня онлайн по своей природе.
«Этот очень важный белок существует только из-за поворота судьбы», сказал ведущий автор исследования Джо Торнтон, доктор философии, преподаватель экологии & эволюции и человеческой генетики в Чикагском университете. «Если наши результаты общие – и мы думаем, что они, вероятно, – тогда многие из работы нашего тела систем, как они делают из-за очень маловероятных случайных событий, которые произошли в нашем глубоком эволюционном прошлом», добавил он.Торнтон специализируется на наследственной реконструкции белка, техника, которая использует ген упорядочивающие и вычислительные методы, чтобы поехать назад через эволюционное дерево и вывести вероятные последовательности белков, поскольку они существовали в глубоком прошлом. Через биохимические методы эти древние белки могут быть синтезированы и введены в живые организмы, чтобы изучить их функцию.
Торнтон и другие ранее показали, что эволюция современных белков потребовала разрешающих мутаций в прошлом. Но никто никогда не занимался расследованиями, были ли многие или немного других возможных разрешающих мутаций, которые, возможно, произошли, таким образом, это осталось неизвестным, как вряд ли случается так, что эволюция обнаружила разрешающий путь к современной функции.Чтобы ответить на этот вопрос, Торнтона и соавтора Майкла Хармса, доктор философии, Университета Орегона сосредоточился на глюкокортикоидном рецепторе (GR), ключевом белке в эндокринной системе, которая регулирует развитие и ответы напряжения в ответ на гормональный кортизол.
Они возродили ген для наследственного GR, поскольку это существовало приблизительно 450 миллионов лет назад, прежде чем это развило свою возможность определенно признать кортизол. Они включали горстку мутаций, которые произошли немного позже, который позволил белку развивать свое признание кортизола, но они не учли разрешающие мутации, отдав нефункциональный белок.
Торнтон и Вред тогда создали миллионы копий этого генетического шаблона, используя метод, который ввел случайные мутации в каждую новую копию, таким образом подражая изменению, которое эволюция, возможно, произвела в белке согласно альтернативным сценариям. Определить разрешающие мутации в этих путях «, возможно, было», они спроектировали дрожжевые клетки, которые могли вырасти, только если они содержали функциональный GR и затем ввели их «библиотеку» видоизмененных версий наследственного GR в них.
Если бы какая-либо из мутаций была разрешающей, они восстановили бы функцию GR и позволили бы дрожжам расти, когда выставлено кортизолу.Торнтон и Вред проверили много тысяч вариантов, но не нашли ни один, что восстановило функцию GR кроме исторических мутаций, которые произошли в действительности. «Среди огромных чисел дополнительных возможных историй не было никаких других разрешающих мутаций, которые, возможно, открыли эволюционный путь к современному GR», сказал Торнтон.Изучая эффекты мутаций на физической архитектуре древнего белка, Вред и Торнтон также показали, почему разрешающие мутации так редки. Чтобы проявить разрешающий эффект, мутация должна была стабилизировать определенную часть белка – той же самой части, дестабилизированной переключающими функцию мутациями – не стабилизируя другие регионы или иначе разрушив структуру.
Очень немного мутаций, они показали, могут удовлетворить все эти узкие ограничения.«Эти результаты показывают, что непредвиденное обстоятельство – влияние случайных событий на способе, которым эволюция разворачивается – встроено в строение атома молекул», сказала Ирен Экстрэнд, доктор философии, Национального Института Национальных Институтов Здоровья Общих Медицинских наук, которые обеспечили существенное финансирование для исследования. «Если результаты будут сохраняться для других систем, это будет очень значительным вкладом в наше понимание точно, как белки могут развить новые функции – процесс, который составляет разнообразие жизни и происхождение наследственной изменчивости».
В то время как большинство предшествующих обсуждений исторического непредвиденного обстоятельства в эволюции сосредоточилось на внешних событиях, таких как воздействия астероида, массовые исчезновения, изменение климата, Торнтон и Хармс показали, что внутренняя сложность белков как физические объекты также заставляет эволюцию зависеть глубоко от событий шанса низкой вероятности.«Очень захватывающе быть в состоянии непосредственно изучить альтернативные древние истории», сказал Торнтон. «Если бы эволюционная история могла бы быть повторно начата от наследственных отправных точек, мы почти наверняка закончили бы с радикально различной биологией от той, которую мы имеем теперь. Непредсказуемые генетические события постоянно открывают пути к некоторым эволюционным результатам и закрывают пути к другим, всем в биохимических системах наших камер.Исследование было поддержано Национальным Институтом Общих Медицинских наук (R01-GM104397.
R01-GM081592 и F32-GM090650), Национальный научный фонд и Говард Хьюз Медицинский Институт.