Генетики отмотали назад эволюционную ленту и нашли мутации, которые привели к изменению свойств одного из главных белков молекулярной биологии. Разработанный ими метод, возможно, позволит восстановить геном динозавра.
Эволюционная теория работает не только с целыми организмами, но и с отдельными молекулами. Происхождение белков ученые изучают в общем по той же системе, что и происхождение видов животных и растений.
«Мы уже давно научились более или менее точно понимать, кто кому ближе по эволюционному родству, то есть какие виды ответвились от общего предка сравнительно недавно, а какие - гораздо раньше, - рассказывает профессор Университета Техаса в Остине (University of Texas at Austin) Михаил Матц (Mikhail V. Matz). - На древе жизни кончики веток представляют собой ныне живущие виды, развилки - вымерших общих предков, а соединяющие их ветки и междоузлия тем длиннее, чем больше накопилось различий между ними в процессе эволюции».
То же самое можно проделать и с белками. Ученые уже научились воссоздавать предковые формы белков, а теперь смогли и реконструировать путь, который прошли эти предковые формы, чтобы превратиться в современный белок.
Михаил Матц и его коллеги запустили такую «машину времени», позволившую отмотать назад эволюционные события прошлого и увидеть, как выглядели переходные формы от древнего к нынешнему белку. Объекты исследования - флуоресцирующие белки.
Разноцветье коралловых рифов
О зеленом флуоресцирующем белке (GFP), продукте гена медузы, все наслышаны, а создатели позволившего использовать его метода молекулярной биологии получили Нобелевскую премию по химии 2008 года. Но в природе есть и другие флуоресцирующие белки, разнообразных цветов, от красного до синего. Они также привлекают внимание ученых и уже используются как генетические метки. Источники этих белков - коралловые полипы.
Изучая разноцветные белки из кораллов, биологи пришли к заключению, что все их разнообразие возникло из зеленого флуоресцирующего белка. Предковую форму зеленого белка они смогли воссоздать. Для этого оценивали разнообразие в каждой позиции аминокислотной цепи современных белков и вычисляли такой вариант предковой аминокислоты, который бы это разнообразие объяснял с наилучшей вероятностью (и с учетом нелогичности путей эволюции).
Воскрешенный таким способом предковый белок у ученых уже в руках. Но этого мало - надо было понять, как он изменялся в ходе эволюции. Конкретно - как из предкового зеленого получился современный красный. Этому и было посвящено последнее исследование.
Что нужно поменять и как это сделать
Сначала биологи сравнили аминокислотные последовательности предкового зеленого и современного красного белков. И выяснили, что для превращения одного в другой необходимо заменить 37 аминокислот. Но если бы все ограничивалось тем, чтобы по одной перебрать все 37 мутаций, было бы слишком просто.
«Далеко не все мутации, накапливающиеся в белках в ходе эволюции, как-то меняют их свойства, - объясняет Михаил Матц. - Кроме того, полезные мутации часто нуждаются друг в друге, чтобы свойства белка хоть как-то изменились (это явление обозначается термином «эпистаз»).
Это означает, что мы должны отыскать не просто одиночные полезные мутации, а полезные комбинации мутаций. Перепробовать все возможные комбинации, как правило, нереально: число комбинаций всего для 20 мутаций больше миллиона, а для 30 - превосходит миллиард. Как быть?»
Кишечную палочку раскрасили
Ученые тем не менее нашли способ преодолеть эти трудности. За один шаг oни синтезировали «библиотеку переходных форм» - целый набор генов, кодирующиx предковый зеленый белок, но содержащих переходные мутации во всех возможных комбинациях. На следующем этапе им помогали любимые биологами бактерии кишечной палочки E. coli.
Исследователи применили метод молекулярного клонирования: они вставили все варианты гена в бактериальные клетки и посеяли их на чашки Петри. Выросли колонии бактерий, которые представляли собой клоны, так как каждая состояла из клеток с какой-либо формой гена белка.
При помощи флуоресцентного микроскопа можно было наблюдать свечение колоний бактерий в разных цветах. Из 20 тыс. колоний биологи выбрали 67 клонов с чисто зеленой флуоресценцией и 28 клонов с желто-оранжевой флуоресценцией. Желто-оранжевые, считают ученые, это носители переходных форм гена от зеленого к красному.
А дальше нужно было сравнить строение гена в зеленых и желто-оранжевых колониях, чтобы найти, какие мутации достоверно чаще встречаются в измененных генах, чем в неизмененных. Они-то, рассуждали ученые, и есть полезные мутации, нужные для преобразования цвета флуоресценции. Причем в нужной комбинации.
Проверка на практике
«Однако это еще не все, - подчеркнул Михаил Матц. - Необходимо доказать, что выявленные таким способом полезные мутации и правда полностью определяют изменения в свойствах белка. Для этого мы берем опять-таки наш предковый белок, вставляем эти мутации в него и смотрим, получилось ли у нас воспроизвести все то новое, что есть в ныне существующем белке, или нет».
Генетики провели такую проверку и в результате выявили 12 ключевых мутаций. Вставленные в предковый ген зеленого белка, они изменяли ген так, что он начинал синтезировать белок с красной флуоресценцией, который был идентичен современному красному коралловому белку.
Оценив вклад каждой мутации, исследователи нашли, что пять из них непосредственно воздействуют на флуоресцирующеe oснование в белке (хромофор), а остальные семь служат скорее для точной настройки цвета. Значит, решили ученые, именно эти 12 мутаций в эволюции молекулы белка привели к тому, чтобы из зеленого возник красный.
«Работа наша ценна в основном методом выявления эволюционно полезных мутаций среди массы бесполезных, - считает Михаил Матц. - Мы теперь знаем, что важно, а что нет, для красного цвета флуоресценции, что позволит нам в дальнейшем конструировать такие белки для биотехнологии.
Но более всего мне хотелось бы верить, что рано или поздно мы перейдем от белков к целым геномам и организмам. И, кто знает, может быть, в будущем сможем воскресить хоть небольшого, но настоящего динозавра».
«Мы уже давно научились более или менее точно понимать, кто кому ближе по эволюционному родству, то есть какие виды ответвились от общего предка сравнительно недавно, а какие - гораздо раньше, - рассказывает профессор Университета Техаса в Остине (University of Texas at Austin) Михаил Матц (Mikhail V. Matz). - На древе жизни кончики веток представляют собой ныне живущие виды, развилки - вымерших общих предков, а соединяющие их ветки и междоузлия тем длиннее, чем больше накопилось различий между ними в процессе эволюции».
То же самое можно проделать и с белками. Ученые уже научились воссоздавать предковые формы белков, а теперь смогли и реконструировать путь, который прошли эти предковые формы, чтобы превратиться в современный белок.
Михаил Матц и его коллеги запустили такую «машину времени», позволившую отмотать назад эволюционные события прошлого и увидеть, как выглядели переходные формы от древнего к нынешнему белку. Объекты исследования - флуоресцирующие белки.
Разноцветье коралловых рифов
О зеленом флуоресцирующем белке (GFP), продукте гена медузы, все наслышаны, а создатели позволившего использовать его метода молекулярной биологии получили Нобелевскую премию по химии 2008 года. Но в природе есть и другие флуоресцирующие белки, разнообразных цветов, от красного до синего. Они также привлекают внимание ученых и уже используются как генетические метки. Источники этих белков - коралловые полипы.
Изучая разноцветные белки из кораллов, биологи пришли к заключению, что все их разнообразие возникло из зеленого флуоресцирующего белка. Предковую форму зеленого белка они смогли воссоздать. Для этого оценивали разнообразие в каждой позиции аминокислотной цепи современных белков и вычисляли такой вариант предковой аминокислоты, который бы это разнообразие объяснял с наилучшей вероятностью (и с учетом нелогичности путей эволюции).
Воскрешенный таким способом предковый белок у ученых уже в руках. Но этого мало - надо было понять, как он изменялся в ходе эволюции. Конкретно - как из предкового зеленого получился современный красный. Этому и было посвящено последнее исследование.
Что нужно поменять и как это сделать
Сначала биологи сравнили аминокислотные последовательности предкового зеленого и современного красного белков. И выяснили, что для превращения одного в другой необходимо заменить 37 аминокислот. Но если бы все ограничивалось тем, чтобы по одной перебрать все 37 мутаций, было бы слишком просто.
«Далеко не все мутации, накапливающиеся в белках в ходе эволюции, как-то меняют их свойства, - объясняет Михаил Матц. - Кроме того, полезные мутации часто нуждаются друг в друге, чтобы свойства белка хоть как-то изменились (это явление обозначается термином «эпистаз»).
Это означает, что мы должны отыскать не просто одиночные полезные мутации, а полезные комбинации мутаций. Перепробовать все возможные комбинации, как правило, нереально: число комбинаций всего для 20 мутаций больше миллиона, а для 30 - превосходит миллиард. Как быть?»
Кишечную палочку раскрасили
Ученые тем не менее нашли способ преодолеть эти трудности. За один шаг oни синтезировали «библиотеку переходных форм» - целый набор генов, кодирующиx предковый зеленый белок, но содержащих переходные мутации во всех возможных комбинациях. На следующем этапе им помогали любимые биологами бактерии кишечной палочки E. coli.
Исследователи применили метод молекулярного клонирования: они вставили все варианты гена в бактериальные клетки и посеяли их на чашки Петри. Выросли колонии бактерий, которые представляли собой клоны, так как каждая состояла из клеток с какой-либо формой гена белка.
При помощи флуоресцентного микроскопа можно было наблюдать свечение колоний бактерий в разных цветах. Из 20 тыс. колоний биологи выбрали 67 клонов с чисто зеленой флуоресценцией и 28 клонов с желто-оранжевой флуоресценцией. Желто-оранжевые, считают ученые, это носители переходных форм гена от зеленого к красному.
А дальше нужно было сравнить строение гена в зеленых и желто-оранжевых колониях, чтобы найти, какие мутации достоверно чаще встречаются в измененных генах, чем в неизмененных. Они-то, рассуждали ученые, и есть полезные мутации, нужные для преобразования цвета флуоресценции. Причем в нужной комбинации.
Проверка на практике
«Однако это еще не все, - подчеркнул Михаил Матц. - Необходимо доказать, что выявленные таким способом полезные мутации и правда полностью определяют изменения в свойствах белка. Для этого мы берем опять-таки наш предковый белок, вставляем эти мутации в него и смотрим, получилось ли у нас воспроизвести все то новое, что есть в ныне существующем белке, или нет».
Генетики провели такую проверку и в результате выявили 12 ключевых мутаций. Вставленные в предковый ген зеленого белка, они изменяли ген так, что он начинал синтезировать белок с красной флуоресценцией, который был идентичен современному красному коралловому белку.
Оценив вклад каждой мутации, исследователи нашли, что пять из них непосредственно воздействуют на флуоресцирующеe oснование в белке (хромофор), а остальные семь служат скорее для точной настройки цвета. Значит, решили ученые, именно эти 12 мутаций в эволюции молекулы белка привели к тому, чтобы из зеленого возник красный.
«Работа наша ценна в основном методом выявления эволюционно полезных мутаций среди массы бесполезных, - считает Михаил Матц. - Мы теперь знаем, что важно, а что нет, для красного цвета флуоресценции, что позволит нам в дальнейшем конструировать такие белки для биотехнологии.
Но более всего мне хотелось бы верить, что рано или поздно мы перейдем от белков к целым геномам и организмам. И, кто знает, может быть, в будущем сможем воскресить хоть небольшого, но настоящего динозавра».
Обсуждения Геном динозавра