Эволюция меняет движения белков, не трогая их трёхмерной структуры

Когда говорят об эволюции на уровне белковых молекул, обычно имеют в виду изменения в аминокислотной последовательности, которые влекут за собой перестройки в трёхмерной структуре белка. А перемены в последней ведут к изменениям в функционировании белковой молекулы, которая таким образом приспосабливается к новым условиям работы, к новым требованиям клетки и всего организма, выживающего в столь непостоянной окружающей среде.

Однако бывает так, что эволюционные изменения в работе белковой молекулы проходят независимо от изменений в её трёхмерном портрете. Как раз такой случай описывают в Nature Structural and Molecular Biology Питер Райт и его коллеги из Института Скриппса (США). Исследователи занимались дигидрофолат-редуктазой, которая участвует в метаболизме нуклеотидов и имеется почти у всех живых организмов.

Как и любой фермент, дигидрофолат-редуктаза во время работы претерпевает некие структурные изменения, и несколько лет назад учёные уже сообщали о том, как эффективность этого фермента зависит от его динамики и гибкости.

На сей раз исследователи сравнивали динамику фермента и его строение у разных организмов, особое внимание уделяя белку бактерий и белку человека. Оказалось, что, несмотря на огромную эволюционную дистанцию между нами и кишечной палочкой, дигидрофолат-редуктазы у нас и бактерий довольно схожи и по аминокислотной последовательности, и по 3D-структуре. При этом белки кишечной палочки и человека демонстрируют разную конформационную динамику, или, проще говоря, манеру движения.

Фермент захватывает какие-то вещества, что-то с ними делает в активном центре и выпускает обратно в среду некий продукт. Это сопровождается движениями частей молекулы. У бактерий участки полипептидной цепи дигидрофолат-редуктазы совершают для этого относительно широкие движения; у человеческого фермента эти перемещения более, если можно так выразиться, сдержанные, и при этом они точнее. И, главное, рабочие конформационные изменения у нашего фермента осуществляются за счёт иного механизма.

Разница в пластичности, в рабочей динамике фермента произошла за счёт возможностей, заключённых приблизительно в одном и том же пространственном «портрете» и, что особенно важно, из-за разных условий работы, с которыми фермент сталкивается в бактериальной и человеческой клетке. Наш фермент настроен на работу именно в клетке человека и в бактериальных условиях не действует: слишком высокие концентрации конечного продукта, присутствующие в кишечной палочке, просто подавляют его активность.

То, что белок не может переключиться с одной манеры движения на другую, говорит о том, что разная динамика молекул всё же как-то запечатлена в мутациях, в аминокислотной последовательности, и теперь исследователи попытаются эти мутации расшифровать.

Пока же полученные данные говорят о том, что эволюция белковых молекул не обязательно выбирает мишенью трёхмерную структуру и влияет на работу белка только через изменения в 3D-портрете. Видимо, динамическая пластичность сама по себе может подвергаться давлению естественного отбора, когда изменения в аминокислотной последовательности почти не отражаются на пространственной структуре, но сказываются на движениях белковой молекулы.

Подготовлено по материалам Института Скриппса. Изображение на заставке принадлежит Shutterstock.