Baltosios visatos plitimas išlieka. • Aleksandras Markovas. • Mokslo naujienos apie "Elementus". • Bioinformatika, molekulinė biologija, genetika.

Baltosios visatos plitimas išlieka

Pav. 1. Kažkas panašaus į tai, kad biologai įsivaizduoja "fitneso kraštovaizdį". Du fenotipai atitinka horizontalius matmenis, o vertikalus – fitneso. Jei kalbame apie atskirą baltymą, tada fenotipas yra aminorūgščių seka, o fitnesas – tai jo baltymų veikimo efektyvumas. Kurdamas per neutralių ar naudingų aminorūgščių pakaitalų kaupimąsi, baltymai gali judėti horizontaliai arba aukštyn link šio kraštovaizdžio. Nusileidimas į slėnį yra draudžiamas, nes mutacijos, kurios mažina baltymų efektyvumą, pašalinamos atrankos būdu. Dėl to voverė gali patekti į "vietos didžiausio spąstai", ty įstrigti vienoje iš antrinių smailių. Tačiau tikrieji fitneso kraštovaizdžiai, matyt, yra ne daugybė vienintelių viršūnių, bet sudėtingos kalnų grandinės labirinto. Kelias palei griovelius, baltymai gali pereiti per bedugnę, tačiau tai užtruks labai ilgai. Štai kodėl daugelis baltymų, kuriuos paveldėjo šiuolaikiniai organizmai iš paskutiniojo viso gyvenimo protėvio, vis dar nepasiekė ribinio nevienodumo lygio ir toliau lėtai sklaida "baltosios visatos" erdvėje.Nuotrauka iš class.yale.edu

Analizė 572 senųjų baltymų, užkoduotų 836 bakterijų ir archeų genomais ir paveldėtos iš visų paskutinių bendrųjų visų gyvųjų protėvių (LUCA) aminorūgščių sekų, parodė, kad skirtingų baltymų, kurie atlieka tą pačią funkciją, skirtumai kaupiasi labai lėtai ir vis dar tęsiasi nuo tada Skirtumo riba nebuvo pasiekta 3,5 mlrd. Metų evoliucijos laikotarpiu. Akivaizdu, kad aminorūgščių pakaitalų kaupimąsi trukdo sudėtinga įvairių baltymų molekulės dalių sąveika. Daugiau nei 90% kiekvieno baltymo amino rūgščių pozicijų iš esmės gali būti pakeistos be funkcionalumo sumažinimo, bet bet koks konkretus pokytis yra įmanomas tik tam tikrose aminorūgščių kontekstuose, todėl tik kiekvieną laiko tašką tik 2% pozicijų yra realios.

1. Babilono baltymų molekulių biblioteka

Borgeso istorija "Babilonijos biblioteka" apibūdina neįsivaizduojamai didelę biblioteką, kurioje yra visi galimi tam tikro ilgio tekstai, susidedantys iš tam tikro simbolių rinkinio. Tuo pačiu metu bibliotekoje nėra dviejų vienodų knygų.Panašią didžiulės, bet vis dar galutinės "erdvės seka" (seka erdvę) vaizdą naudoja bioinformatikos tyrinėtojai, kurie tiria baltymų evoliuciją. Ši įsivaizduojama erdvė apima absoliučiai visas 20 aminorūgščių sekas, kurių ilgis atitinka tikrąjį natūralių baltymų ilgio intervalą. Pvz., Jei ilgis yra 300 aminorūgščių baltymų, yra 20300 galimi seka. Palyginti su šiuo skaičiumi, visumoje esančių elementarių dalelių (apie 1080) atrodo nereikšmingas.

Kiekvienas sekos erdvės taškas atitinka vieną baltymą, o atstumas tarp dviejų taškų atspindi dviejų baltymų skirtumų dydį. Baltymų molekulės evoliucija gali būti išreikšta kaip sekos erdvės judėjimas.

Kiekviena baltymų funkcija atitinka tam tikrą sekos erdvėje esantį regioną, kuriame bet kuris taškas yra baltymas, kuris gali sėkmingai susidoroti su šia funkcija. Kol baltymų molekulės evoliucija vyksta be funkcijos pasikeitimo, jos judėjimas turėtų būti apribotas iki šios srities.

Pagrindinis klausimas yra tai, kokios yra tokios sritys ir kokia jų struktūra. Teoriškai jie gali būti arba tvirti laukai, arba siauros kelio labirintos, atskirtos "uždraustomis zonomis".

Naudingas "sekos erdvės" papildymas yra "fitneso kraštovaizdžio" įvaizdis. Kiekvienas taško sekos erdvėje atitinka vieną ar kitą "tinkamumo" vertę arba baltymų jo funkcijos efektyvumą. Priimama atstovauti aukšto fitneso vietoves kalvų, mažų – slėnių ar duobių pavidalu (1 pav.). Tuo pačiu metu minėti "laukai" formuojasi kalnų plokščių, "takai" tampa briaunomis, o "uždraustos zonos" tampa slėniais ir nuolaužomis.

2. Senovės baltymų visata ir toliau plečiasi

Pagrindinis straipsnis dėl bendrųjų įstatymų evoliucijos judėjimo baltymus ant treniruoklių kraštovaizdžio tyrimo, paskelbta gegužės 19 d žurnalo svetainėje Gamta. Straipsnio autoriai Ina Povolotskaya ir Fedoras Kondrasovas šiuo metu dirba Biblijos genomo reguliavimo centre.

Tyrimo medžiaga buvo 572 senovinių baltymų aminorūgščių seka,kuri jau turėjo paskutinį visų gyvų daiktų protėvį (LUCA) ir paveldėjo jo palikuonys, taip pat atitinkamų genų iš 836 bakterijų ir archeų genomų nukleotidų sekas. Šie baltymai vadinami "senoviniais", nes po> 3.5 milijardo metų nepriklausomos evoliucijos skirtingų LUCA palikuonių kūnuose jie vis dar išlieka panašūs į jų aminorūgščių seką (iki nuostabaus 40% panašumo į ribosominius baltymus L14 bakterijose ir archeos) ir toliau vykdyti tas pačias funkcijas kaip LUCA.

Pav. 2 Fizinių ir baltymų Visatos plėtimas. Laiko rodyklė nukreipta iš viršaus į apačią. Kairėje: plėtojant fizinę Visatą, atstumai nuo savavališkai parinkto objekto (pavyzdžiui, Žemės) prie kitų objektų padidėja, o pašalinimo greitis yra proporcingas atstumui. Dešinėje: "baltymų visatos" išsiplėtimo metu dukterinės molekulės pašalinamos sekos erdvėje nuo pradinio taško, kuris atitinka vieną iš LUCA baltymų. Šiuo atveju atstumas tarp savavališkai parinkto objekto (pvz., Baltymų, priklausančių evoliucinei linijai, kuri lėmė E. coli E. coli) ir kiti objektai (susiję evoliucinių linijų baltymai) palaipsniui auga. Tačiau baltymai su šia funkcija negali viršyti savo "savo" subregiono ribų sekos erdvėje – kitaip tai bus kitas baltymas, kuris atlieka kitą funkciją (evoliuciniai įvykiai, susiję su baltymų funkcijos pakeitimu, nėra svarstomi darbe). Paragrafas, atitinkantis šią funkciją, parodytas paveikslėlyje kaip vidinis ratas. Anksčiau ar vėliau skirtingi baltymai pasieks šios srities ribas, o tolesnis neatitikimas tampa neįmanomas (apatinis dešinysis) Paveikslėlis iš aptariamo straipsnioGamta

Pirmasis autorių nustatytas klausimas yra tas, ar šie baltymai jau pasiekė didžiausią skirtumą tarp sekos erdvės ar jų skirtumai (skirtumai tarp kitų ir pirminio protėvių baltymo kaupimo) vis dar tęsiasi? Galimybė išsaugoti didelį panašumą po 3,5 mlrd. Metų nepriklausomos evoliucijos rodo, kad šių baltymų keitimo galimybės yra labai ribotos. Galima daryti prielaidą, kad jų funkcijose atitinkantys sekos erdvės regionai yra santykinai mažiir skirtumų riba jau seniai pasiekta. Bet dar vienas paaiškinimas yra įmanomas. Šios sritys gali būti didelės, bet sunkiai pasiekiamos. Pvz., Jie gali būti labirintas iš kelių siauros kreidos, atskirtų tarpusavyje, todėl reikia daugiau laiko, kad "įvaldytų" visą potencialiai laisvą erdvę, nei praėjo nuo LUCA atsiradimo.

Autoriai pateikia įdomią analogiją tarp baltymų evoliucijos ir Visatos ekspansijos. Edvinas Hablas atrado, kad galaktikos juda viena nuo kitos, o atstumas tarp galaktikų yra teigiamai susijęs su jų skrydžio greičiu. Ši tendencija ekstrapoliuojant į praeitį, Hablas padarė išvadą, kad išskaidymas turėjo prasidėti nuo vieno taško. Ši idėja buvo moderniosios Didžiojo sprogimo teorijos pagrindas. Kažkas panašaus atsitinka su baltymų, kurie nukrypsta nuo bendro protėvio – originalaus baltymo su šia funkcija, kuris buvo užkoduotas LUCA genomoje (2 pav.).

Norint sužinoti, ar "senovinių baltymų visatos" plėtra jau yra pasibaigusi ar vis dar vyksta, autoriai taikė originalius baltymų sekos analizės metodus. Pav. 3 iliustruojamas pagrindinis taikomo metodo pagrindas.Buvo naudojami keturi homologiniai (kilę iš vieno protėvio) ir atlikti vieną baltymų funkciją. Pirmųjų keturių baltymų atveju, kaip pirmieji du baltymai, buvo laikomos glaudžiai susijusios molekulės, turinčios didelį aminorūgščių sekų panašumą. Šie du baltymai buvo vadinami "seserimis", ir tai buvo jų evoliucija, kuri buvo analizuojama remiantis keturiais principais.

Trečias baltymas išsiskyrė iš seserų baltymų stipresniai nei jie vienas nuo kito. Jis tarnavo kaip "išorinė grupė", leidžianti suprasti, kokie aminorūgščių pakeitimai įvyko pirmajame ir antrojo sūrio baltymuose. Pavyzdžiui, jei šioje padėtyje esantis išorinis baltymas yra aminorūgštis K (lizinas), o pirmoji iš dviejų sėklų baltymų yra ta pati aminorūgštis, o antrasis šioje vietoje yra kita aminorūgštis (pvz., Y – tirozinas), tada manoma, kad K šioje pozicijoje yra protėviai, pradinė būklė, o antrojo seserio baltymuose K buvo pakeistas Y.

Ketvirtasis buvo pridėtas prie šių trijų voverių, dar labiau nutolusių nuo seserų nei trečioji. Jei ketvirtasis baltymas turi aminorūgštį K šioje padėtyje (kaip parodyta 3 pav.), Tada buvo padaryta išvada, kad antrojo sėklojo baltymo evoliucinis pokytis pasireiškė, kuris padidino atstumą tarp baltymų 2 ir 4: voverės skyrėsi. Jei ketvirtasis baltymas čia yra Y aminorūgštis, tada būtų padaryta išvada, kad dėl pakeitimo, kuris paveikė baltymą 2, baltymai 2 ir 4 priartėjo.

Pav. 3 Baltymų sekos analizės principas, taikomas nagrinėjamame darbe. Nustatant aminorūgščių pakaitalų kryptį (ar jie padidina ar sumažina panašumą su kitomis homologinėmis sekomis), buvo naudojami keturiasdešimt homologinių baltymų, jų santykis yra pavaizduotas kaip medis. Analizuojant tokį keturkampį, galima suprasti, ar pirmųjų dviejų baltymų ir ketvirtosios panašumas auga ar mažėja. Šiuo atveju manoma, kad pirmasis protėvio baltymas (randamas 2 ir 3 baltymuose) yra 11 aminorūgštis R (paryškintas mėlynas) buvo pakeista E, dėl to padidėjo pirmojo baltymo panašumas su ketvirtuoju, tai yra jų suartėjimas eilučių erdvėje. Antrame baltymui "protėvių" aminorūgštis K yra trečioje padėtyje (paryškinta raudona) buvo pakeistas Y, o tai sumažino antrojo baltymo panašumą su ketvirtuoju, tai yra jų neatitikimas eilučių erdvėje. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnioGamta

Tai labai sudėtinga technologija, leidžianti apeiti kai kuriuos bioinformatikos tyrimams būdingus trūkumus. Tai leidžia įvertinti evoliucijos orientaciją (konvergencijos ar nesutapimų) poros labai tolima nuo kito baltymų (pavyzdžiui, baltymai 1 ir 4 arba 2 ir 4), nepaisant to, kad didelė rekonstrukcija protėvių narės amino rūgščių pozicijas galima tik tada, kai, lyginant pakankamai arti baltymai (pvz., 1, 2 ir 3).

Paprasčiausiai skaičiavimų variante buvo atsižvelgta tik į aminorūgščių sutapimą / nesutapimą. Labiau sudėtingas versija taip pat atsižvelgta į panašumo tarp skirtingų amino rūgščių, kurios leidžiama užsiimti daug didesniam skaičiui aminorūgščių pozicijų analizę laipsnį (nors tai neturėjo įtakos galutinį rezultatą).

Iš viso buvo perdirbti 13,6 milijono šių keturių. Kiekvienam iš keturių buvo nustatytas pakaitų skaičius, todėl sekų (Nt) ir jų išsibarstymo (Na) konvergencija. Iš šių dydžių santykis (NT / Na) gali suprasti bendrą tendenciją: skiriasi, ar baltymų arba susilieja pusiausvyrą aplink tam tikrą pastoviame lygyje, kurios seka panašumo.

Pasirodo, kad net ir labiausiai toli vienas nuo kito homologiniai baltymai, tendencija į skirtumus gerokai viršija tendenciją konvergencijai (Nt / Na <1). Todėl "senovinių baltymų visata" ir toliau plinta, o jų funkcijoms priklausančių teritorijų ribos nepasiekė per 3,5 mlrd. Metų. Šių baltymų raida buvo labai lėta. Kas ją laikė? Antroji straipsnio dalis skirta spręsti šią problemą ir atkreipti dėmesį į kitą Borgeso istoriją – "Skirtingų takų sodas".

3. Skirtingų takų labirintai

Įprasta "neigiama atranka", patvirtinanti, kad nesėkminga (redukcinė fizinė būklė) aminorūgščių pakaitalai yra išmatuoti, nepakanka paaiškinti lėtą senųjų baltymų evoliuciją. Prielaida, kad kiekviena aminorūgštis šioje pozicijoje vienodai veikia sportą, neatsižvelgiant į "kontekstą" (tai yra, kokios amino rūgštys yra skirtingose ​​pozicijose toje pačioje baltymo ar kitų baltymų, kurie sąveikauja su juo) atstovavimas lengvai patenkintas fitneso kraštovaizdis (žr. 4c pav.). Tačiau nuo LUCA laiko kiekvienoje sinonimų vietoje (kaip jie vadinami tie nukleotidai DNR grandinėje, kurių keitimas neturi įtakos užkoduotų baltymų struktūrai), jau įvyko daugiau kaip 100 pakeitimų.Sinoniminiai nukleotidų pakaitalai yra judėjimo išilgai lygaus horizontalaus paviršiaus tinkamumo kraštovaizdžio pavyzdys. Iš to išplaukia, kad esant geram kraštovaizdžio plotui, tirti baltymai jau seniai turėjo įsisavinti visą potencialiai prieinamą regioną sekos erdvėje, ir tada mes nenorime stebėti jų tolesnio nukrypimo.

Dramatiškai sumažinkite tinkamumo kraštovaizdžio pralaidumą – paverskite jį siaura takų arba kalnų grandžių labirintu – gali vadintis epistasta (žr. Epistazę). Šiuo atveju epistazė reiškia aminorūgščių pozicijos įtaką bendram baltymų tinkamumui kitose aminorūgščių vietose toje pačioje baltoje arba kitų besivystančių molekulių (pavyzdžiui, kitų baltymų ar funkcinių RNR) savybių, sąveikaujančių su šiuo baltymu, savybes. Epistazės buvimas rodo, kad daugybei aminorūgščių pakaitalų leidžiama tik tam tikruose kontekstuose. Jei kontekstas yra kitoks, šis pakeitimas sumažins tinkamumą, o pasirinkimas jį atmes. Šis reiškinys baltymų evoliucijoje anksčiau buvo tiriamas konkrečiais pavyzdžiais (vienas iš tokių tyrimų aprašytas straipsnyje "Evoliucijos keliai" iš anksto nustatomi molekuliniame lygmenyje, "Elements", 2006 m. Balandžio 12 d.).Jei epistazė yra plačiai paplitusi, baltymas gali pasiekti daug potencialiai pasiekiamų taškų erdvėje seka tik ilgąja aviacija (4b pav.).

Norėdami išbandyti hipotezę apie svarbų epistazės vaidmenį baltymų evoliucijoje, autoriai sugalvojo išradingą testą, pagrįstą "konverguojančių" ir "nukreipiančių" mutacijų su atstumu tarp baltymų kaupimo greičių palyginimu. Šiuo atveju mutacijų kaupimosi greitis buvo apskaičiuotas kito, sudėtingesnio metodo, nei pirmoje straipsnio dalyje (tai diktuoja užduoties reikalavimai). Visų pirma buvo naudojamas ne absoliutus naudojamų pakeitimų skaičius, bet šios rūšies atliktų pakeitimų dalis, išreikšta bendro potencialo skaičiumi tam tikroje seka. Pagrindinė idėja buvo tai, kad hipotezės apie epistazės buvimą ir nebuvimą suteikia priešingų prognozių, kaip turėtų pasikeisti sutinkančių ir atskiriančių mutacijų fiksavimo dažnis, kai sumažėja baltymų panašumas.

Jei epistazės poveikis yra mažas, tada dviems artimiems baltymams nukreiptų mutacijų kaupimosi greitis turėtų būti didelis, o kai sekos skiriasi, tai turėtų sumažėti.Tokiu atveju konvertuojamųjų mutacijų kaupimosi greitis turėtų išlikti beveik pastovus.

Jei epistazė daro didelę įtaką baltymų vystymuisi, viskas turėtų būti kitaip: išsiskyrimo mutations turėtų kauptis maždaug pastoviu greičiu, o pradinių muolijų suvienijimo greitis turėtų būti didelis, o baltymų išsiskyrimas turėtų sumažėti.

Skaičiavimai įtikinamai patvirtino hipotezę apie didžiulę epistazės įtaką baltymų evoliucijai. Pasirodo, kad praskiedimo mutacijų kaupimosi greitis praktiškai nepriklauso nuo baltymų atstumo. Bet kuriuo metu tik apie 2% aminorūgščių pozicijų galima keisti be fizinės savybės, tačiau ilgainiui gali pasikeisti daugiau nei 90% pozicijų, tačiau šie pokyčiai turi būti atliekami ilgomis aplinkkeliais per tinklinio kraštovaizdžio siaurų "kalnų slenksčių" labirintą. Artimi, neseniai išsiskyrę baltymai, konverguojamų mutacijų (vadinamų potencialiai galimų šio tipo mutacijų) kaupimosi greitis yra labai didelis, nes artimi baltymai kiekvienos padėties aminorūgščių "kontekstas" yra panašus.Todėl aminorūgštis, kuri neseniai buvo šioje pozicijoje, greičiausiai "grįš" į savo vietą, ir tai nesumažins tinkamumo. Priešingai, labai skirtinguose baltymuose ši padėtis jau yra labai skirtingoje aplinkoje, taigi "aminorūgščių" grąža, kuri stovėjo čia su tolimu protėviu, greičiausiai sumažins tinkamumą, o mutacija bus pašalinta.

Atvirai autorių sumažėjusi mutacijų susiliejimo tikimybė, kai baltymai skiriasi, aiškiai pasireiškia evoliucijos negrįžtumas: kuo labiau baltymai skiriasi, tuo mažiau galimybių jie turi vėl tapti panašūs (taip pat žiūrėkite: evoliucijos negrįžtumo teisė yra paaiškinta molekuliniame lygmenyje, "Elements", 2009.09.30 )

Pav. 4 Sekų erdvę galima pavaizduoti kaip grafiką, kurios viršūnės atitinka skirtingas sekas (šiuo atveju rodomos dviejų nukleotidų sekos), o kraštai – į atskirus evoliucinius įvykius (nukleotidų pakaitalai). Pirmuoju atveju (aa) fitneso kraštovaizdis yra kietas plokščias sluoksnis: visos 16 sektų yra tokios pačios aukšto fitneso ir gali būti leidžiamos visos galinčios mutacijos (atmesti nebus atmesta).Du trumpiausi keliukai, jungianti AT ir GC sekas, susideda tik iš dviejų mutacijų pakopų (storos violetinės rodyklės) Antruoju atveju (b) pusė sekas sumažino fizinę būklę (pažymėta juodi apskritimai) Tuo pat metu fitneso sumažėjimą nustato ne specifinis nukleotidas konkrečioje padėtyje, bet unikalus abu nukleotidų derinys. Dviejų ar daugiau nukleotidų (ar aminorūgščių) derinimas su fitnesu vadinamas "epistazėmis". Epistazė drastiškai sumažina kraštovaizdžio pralaidumą: galimų trajektorijų skaičius mažėja, o trumpiausias kelias tarp dviejų taškų (pvz., Nuo AT iki GC) pailgėja. Trečiuoju atveju (c), taip pat pusė sekas sumažina fizinę būklę, bet epistazėje nėra: nukleotidai A ir G antroje pozicijoje mažina fizinę būklę, neatsižvelgiant į pirmosios pozicijos būseną. Epistazės stoka prisideda prie to, kad kraštovaizdis išlieka lengvai perduodamas, o nuo AT iki GC galima pasiekti tik dviem etapais, kaip pirmą kartą. Paveikslėlis iš aptariamo straipsnioGamta

Taigi, baltymų tinkamumo kraštovaizdžiui būdinga padidėjusi "sulankstoma", atrodo, kad sunkus siaurų kalnų slenksčių labirintas,judėti kuriuose besivystančių baltymų gali tik labai lėtai. Viena iš darbo išvadų yra ta, kad didelio masto baltymų evoliucijos modeliai būtinai turi atsižvelgti į epistazės įtaką. Be to, šis darbas gali būti laikomas nauju, labai tvirtu argumentu, kuriuo remiamas visų gyvųjų būtybių kilmės vienovė. Taip pat kaip išsibarsčiusios galaktikos rodo vieną centrą, kuris egzistavo praeityje, iš kurio pradėjo judėti visi Visatos objektai, taigi senų baltymų "išsibarstymas", kuris ir toliau iki šios dienos, vienareikšmiškai rodo jų kilmę iš vieno protėvio (taip pat žiūrėkite: Oficialūs statistiniai testai patvirtina visų gyvų organizmų kilmę iš vieno protėvio, "Elements", 2010 05 05).

Šaltinis: Ina S. Поволоцкая, Fiodoras A. Кондрашов. Sekos erdvė ir nuolatinė baltymų visatos plėtra // Gamta. Išankstinis internetinis leidimas 2010 m. Gegužės 19 d. Doi: 10.1038 / nature09105.

Aleksandras Markovas


Like this post? Please share to your friends:
Parašykite komentarą

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: