Эволюция как сопротивление энтропии Биологическая эволюция не просто создает новые формы — она создает формы, устойчивые к дальнейшей эволюции. Статья доктора биологических наук Виктора Щербакова

Расширение белковой вселенной продолжается

24.05.2010

Рис. 1. Примерно так представляют себе биологи <<ландшафт приспособленности>>. Два горизонтальных измерения соответствуют фенотипу, вертикальное отражает приспособленность. Если речь идет об отдельном белке, то фенотип -- это аминокислотная последовательность, а приспособленность -- это эффективность выполнения белком своей функции. Эволюционируя путем накопления нейтральных или полезных аминокислотных замен, белок может двигаться по этому ландшафту горизонтально или вверх. Спуск в долины запрещен, п тому что мутации, снижающие эффективность работы белка, отсеиваются отбором. В результате белок может оказаться в <<ловушке локального максимума>>, то есть застрять на одной из второстепенных вершин. Однако реальные ландшафты приспособленности, по-видимому, представляют собой не множество одиноких пиков, а сложные лабиринты горных хребтов. Двигаясь по гребням, белок может обходить пропасти, но на это уходит очень много времени. Именно поэтому многие белки, унаследованные современными организмами от последнего общего предка вс го живого, до сих пор так и не достигли предельного уровня несхожести и продолжают медленно расходиться в пространстве <<белковой вселенной>>. Рисунок с сайта classes.yale.edu

Анализ аминокислотных последовательностей 572 древних белков, закодированных в геномах 836 бактерий и архей и унаследованных ими от последнего общего предка всего живого (LUCA), показал, что накопление различий между родственными белками, выполняющими одну и ту же функцию, происходило очень медленно и продолжается до сих пор. Предел расхождения так и не был достигнут за 3,5 млрд лет эволюции. По-видимому, накопление аминокислотных замен сдерживается сложными взаимодействиями ме ду разными участками белковой молекулы. Более 90% аминокислотных позиций в каждом белке в принципе могут быть изменены без снижения функциональности, но любое конкретное изменение возможно только в определенном аминокислотном <<контексте>>, и поэтому в каждый момент времени реально осуществимы изменения лишь около 2% позиций.

1. Вавилонская библиотека белковых молекул

В рассказе Борхеса <<Вавилонская библиотека>> описана невообразимо огромная библиотека, содержащая абсолютно все возможные тексты определенной длины, составленные из определенного набора символов. При этом в библиотеке нет двух одинаковых книг. Схожий образ громадного, но всё же конечного <<пространства последовательностей>> (sequence space) используют специалисты по биоинформатике, изучающие эволюцию белков. Это воображаемое прост анство включает абсолютно все возможные последовательности из 20 аминокислот, длина которых соответствует реальному диапазону длин природных белков. Например, для белка длиной в 300 аминокислот существует 20³⁰⁰ возможных последовательностей. По сравнению с этим числом количество элементарных частиц во Вселенной (порядка 10⁸⁰) выглядит ничтожно малым.

Каждая точка в пространстве последовательностей соответствует одному белку, а расстояние между двумя точками отражает величину различий между двумя белками. Эволюцию белковой молекулы можно представить как движение в пространстве последовательностей.

Каждой функции, выполняемой белками, соответствует некая область в пространстве последовательностей, в пределах которой любая точка -- это белок, способный успешно справиться с данной функцией. До тех пор пока эволюция белковой молекулы идет без смены функции, ее движение должно быть ограничено этой областью.

Ключевой вопрос состоит в том, насколько велики такие области и какова их структура. Теоретически они могут быть как сплошными полями, так и лабиринтами узких тропинок, разделенных <<запретными зонами>>.

Полезным дополнением к образу <<пространства последовательностей>> является образ <<ландшафта приспособленности>> (fitness landscape). Каждой точке пространства последовательностей соответствует та или иная величина <<приспособленности>>, или эффективности выполнения белком своей функции. Принято представлять области высокой приспособленности в виде возвышенностей, низкой -- в виде долин или ям (рис. 1). При этом вышеупомянутые <<поля>> приобретают вид горных плато, <<тропинки>> становятся ребтами, а <<запретные зоны>> -- долинами и пропастями.

2. Вселенная древних белков продолжает расширяться

Фундаментальная статья, посвященная изучению общих законов эволюционного движения белков по ландшафтам приспособленности, опубликована 19 мая на сайте журнала Nature. Авторы статьи, Инна Поволоцкая и Федор Кондрашов, в настоящее время работают в Центре геномной регуляции (Centre for Genomic Regulation) в Барселоне.

Материалом для исследования послужили аминокислотные последовательности 572 древних белков, которые имелись уже у последнего общего предка всего живого (LUCA) и были унаследованы его потомками, а также нуклеотидные последовательности соответствующих генов из геномов 836 бактерий и архей. Эти белки называют <<древними>>, потому что после >3,5 млрд лет независимой эволюции в телах разнообразных потомков LUCA они до сих пор сохранили некоторое сходство своих аминокислотных последов ательностей (вплоть до поразительного 40-процентного сходства рибосомных белков L14 у бактерий и архей) и продолжают выполнять те же функции, что и у LUCA.

Рис. 2. Расширение физической и белковой Вселенной. Стрела времени направлена сверху вниз. Слева: в ходе расширения физической Вселенной увеличиваются расстояния от произвольно выбранного объекта (например, Земли) до других объектов, причем скорость удаления пропорциональна расстоянию. Справа: в ходе расширения <<белковой вселенной>> дочерние молекулы удаляются в пространстве последовательностей от исходной точки, которая соответствует одному из белков LUCA. При этом дистанции между произвольн о выбранным объектом (например, белком, принадлежащим эволюционной линии, которая привела к кишечной палочке E. coli) и другими объектами (родственными белками других эволюционных линий) постепенно растут. Однако белки с данной функцией не могут выйти за пределы <<своей>> подобласти в пространстве последовательностей -- иначе это будет уже другой белок, выполняющий другую функцию (эволюционные события, связанные со сменой функции белка, в обсуждаемой работе не рассматриваются). Подобласть, соответствующая данной функции, изобр жена на рисунке в виде внутреннего круга. Рано или поздно расходящиеся белки достигнут границ этой области, и дальнейшее расхождение станет невозможным (справа внизу). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Первый вопрос, который поставили перед собой авторы, состоит в том, достигли уже эти белки максимального расхождения в пространстве последовательностей или их расхождение (накопление отличий друг от друга и от исходного предкового белка) всё еще продолжается? Сохранение высокого сходства после 3,5 млрд лет независимой эволюции, казалось бы, говорит о том, что возможности изменения этих белков весьма ограничены. Можно предположить, что области в пространстве последовательностей, соответствующие их функциям, сравнительно невел ики, и предел расхождения давно достигнут. Но возможно и другое объяснение. Эти области могут быть велики, но труднопроходимы. Например, они могут представлять собой лабиринт из немногочисленных узких хребтов, разделенных пропастями, и поэтому на <<освоение>> всего потенциально доступного пространства требуется больше времени, чем прошло с момента появления LUCA.

Авторы проводят интересную аналогию между эволюцией белков и расширением Вселенной. Эдвин Хаббл обнаружил, что галактики удаляются друг от друга, причем расстояние между галактиками положительно коррелирует со скоростью их разлетания. Экстраполируя эту тенденцию в прошлое, Хаббл пришел к выводу, что разлетание должно было начаться из одной точки. Эта идея легла в основу современной теории Большого взрыва. Нечто подобное происходит и с белками, расходящимися от общего предка -- исходного белка с данной функцией, который был зако дирован в геноме LUCA (рис. 2).

Чтобы выяснить, закончилось ли уже расширение <<вселенной древних белков>> или оно продолжается до сих пор, авторы применили оригинальные методы анализа белковых последовательностей. Рис. 3 иллюстрирует общий принцип, лежащий в основе примененной методики. Использовались четверки гомологичных (происходящих от одного предка) и выполняющих одну функцию белков. В качестве первых двух белков для каждой четверки брались близкородственные молекулы, обладающие высоким сходством аминокислотных последовательностей. Эти два бе ка назывались <<сестринскими>>, и именно их эволюция анализировалась в рамках данной четверки.

Третий белок отличался от сестринских белков сильнее, чем они друг от друга. Он выполнял роль <<внешней группы>>, позволяя понять, какие аминокислотные замены произошли в первом, а какие во втором сестринском белке. Например, если у внешнего белка в данной позиции стоит аминокислота K (лизин), и такая же аминокислота стоит здесь у первого из двух сестринских белков, а у второго в этом месте находится другая аминокислота (например, Y -- тирозин), то считалось, что K в данной позиции -- это <<предковое>>, исходное состояние, а у второго сестринского белка произошла замена K на Y.

К этим трем белкам добавлялся четвертый, еще более далекий от сестринских, чем третий. Если у четвертого белка в данной позиции стоит аминокислота K (как на рис. 3), то делался вывод, что у второго сестринского белка произошло эволюционное изменение, увеличившее дистанцию между белками 2 и 4: белки разошлись. Если бы у четвертого белка здесь стояла аминокислота Y, то был бы сделан вывод, что в результате изменения, затронувшего белок 2, белки 2 и 4 сблизились.

Рис. 3. Принцип анализа белковых последовательностей, примененный в обсуждаемой работе. Для определения направленности аминокислотных замен (ведут ли они к увеличению или уменьшению сходства с другими гомологичными последовательностями) использовались четверки гомологичных белков, родственные отношения между которыми изображены в виде дерева. Анализ такой четверки позволяет понять, растет или снижается сходство между первыми двумя белками и четвертым. В данном случае считается, что у первого белка << предковая>> (имеющаяся у белков 2 и 3) аминокислота R в 11-й позиции (выделена синим) заменилась на E, что привело к росту сходства первого белка с четвертым, то есть к их сближению в пространстве последовательностей. У второго белка <<предковая>> аминокислота K в 3-й позиции (выделена красным) заменилась на Y, что привело к снижению сходства второго белка с четвертым, то есть к их расхождению в пространстве последовательностей. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Это очень хитрая методика, позволяющая обойти некоторые подводные камни, характерные для биоинформационных исследований. Она позволяет оценивать направленность эволюции (схождение или расхождение) у пары весьма удаленных друг от друга белков (например, таких как белки 1 и 4 или 2 и 4), несмотря на то, что достоверная реконструкция предковых состояний аминокислотных позиций возможна только при сравнении достаточно близких белков (например, таких как 1, 2 и 3).

В простейшем варианте расчетов учитывалось только совпадение / несовпадение аминокислот. В более сложном варианте учитывалась еще и степень сходства между разными аминокислотами, что позволило вовлечь в анализ гораздо большее число аминокислотных позиций (впрочем, на конечный результат это не повлияло).

В общей сложности было обработано 13,6 миллионов таких четверок. Для каждой четверки определялось число замен, ведущих к сближению последовательностей (Nt) и к их расхождению (Na). По соотношению этих величин (Nt/Na) можно понять общую тенденцию: расходятся ли белки, сближаются или балансируют вокруг некого постоянного уровня сходства последовательностей.

Оказалось, что даже у наиболее удаленных друг от друга гомологичных белков тенденция к расхождению значительно преобладает над тенденцией к сближению (Nt/Na < 1). Следовательно, <<вселенная древних белков>> продолжает расширяться, и пределы областей, соответствующих их функциям, за 3,5 млрд лет так и не были достигнуты. Эволюция этих белков была крайне медленной. Что же ее сдерживало? Решению этой проблемы посвящена вторая часть статьи, приводящая на память другой рассказ Борхеса -- <<Сад расходящих я тропок>>.

3. Лабиринт расходящихся тропок

Обычного <<отрицательного отбора>>, отсеивающего неудачные (снижающие приспособленность) аминокислотные замены, явно недостаточно для того, чтобы объяснить медленную эволюцию древних белков. Предположение о том, что каждая аминокислота, стоящая в данной позиции, влияет на приспособленность одинаковым образом независимо от <<контекста>> (то есть от того, какие аминокислоты стоят в других позициях в том же белке или в других белках, взаимодействующих с ним), соответствует представлению о легко проходимом ландшафте приспособлен ости (см. рис. 4c). Но со времен LUCA в каждом синонимичном сайте (так называют те нуклеотиды в цепи ДНК, изменение которых не влияет на структуру кодируемого белка) произошло уже свыше 100 замен. Синонимичные нуклеотидные замены -- это пример движения по ровным горизонтальным поверхностям ландшафта приспособленности. Из этого следует, что в случае хорошей проходимости ландшафта изучаемые белки давным-давно должны были освоить всю потенциально доступную им область в пространстве последовательностей, и тогда мы не наблюда и бы их продолжающегося расхождения.

Резко уменьшить проходимость ландшафта приспособленности -- превратить его в лабиринт узких тропок или горных хребтов -- может так называемый эпистаз (см. epistasis). В данном случае под эпистазом понимается зависимость влияния аминокислотной позиции на общую приспособленность белка от других аминокислотных позиций в том же белке или от свойств других эволюционирующих молекул (например, других белков или функциональных РНК), взаимодействующих с данным белком. Наличие эпистаза предполага ет, что многие аминокислотные замены являются допустимыми только в определенных контекстах. Если же контекст иной, данная замена будет снижать приспособленность, и отбор ее отбракует. Это явление в эволюции белков изучалось ранее на конкретных примерах (об одном из таких исследований рассказано в заметке Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне, <<Элементы>>, 12.04.2006). Если эпистаз широко распространен, белок может добраться до многих потенциально достижимых пунктов в пространстве последо вательностей только долгим обходным путем (рис. 4b).

Для проверки гипотезы о важной роли эпистаза в эволюции белков авторы придумали хитроумный тест, основанный на сопоставлении темпов накопления <<сближающих>> и <<разводящих>> мутаций с дистанциями между белками. Темпы накопления мутаций в данном случае вычислялись другим, более изощренным методом, чем в первой части статьи (что диктовалось требованиями поставленной задачи). В частности, использовалось не абсолютное число замен, а доля реализованных замен данного типа из общего числа потенциально возможных для данной последова тельности. Основная идея состояла в том, что гипотезы о наличии и отсутствии эпистаза дают противоположные предсказания о том, как должна меняться частота закрепления сближающих и разводящих мутаций по мере снижения сходства между белками.

Если влияние эпистаза невелико, то у двух близких белков темп накопления разводящих мутаций должен быть высоким, а по мере расхождения последовательностей он должен снижаться. Темп накопления сближающих мутаций при этом должен оставаться примерно постоянным.

Если же эпистаз оказывает сильное влияние на эволюцию белков, всё должно быть наоборот: разводящие мутации должны накапливаться с примерно постоянной скоростью, а темп накопления сближающих мутаций в начале должен быть высоким, а по мере расхождения белков он должен снижаться.

Проведенные расчеты убедительно подтвердили гипотезу о сильном влиянии эпистаза на эволюцию белков. Оказалось, что темп накопления разводящих мутаций практически не зависит от дистанции между белками. В каждый момент времени лишь около 2% аминокислотных позиций могут быть изменены без снижения приспособленности, хотя в долгосрочной перспективе более 90% позиций могут измениться -- но к этим изменениям нужно идти долгими обходными путями по лабиринту узких <<горных хребтов>> ландшафта приспособленности. У близких, недавно р зошедшихся белков темп накопления сближающих мутаций (отнесенный к числу потенциально возможных мутаций такого типа) очень высок, потому что у близких белков аминокислотный <<контекст>> для каждой позиции является сходным. Поэтому та аминокислота, которая недавно стояла в данной позиции, с большой вероятностью может <<вернуться>> на свое место, и это не снизит приспособленность. Напротив, у сильно отличающихся белков данная позиция уже находится в сильно отличающихся контекстах, и поэтому <<возвращение>> аминокислоты, которая стоял а здесь у далекого предка, с большой вероятностью снизит приспособленность, и мутация будет отсеяна.

В открытом авторами снижении вероятности сближающих мутаций по мере расхождения белков ярко проявляется правило необратимости эволюции: чем сильнее разошлись белки, тем меньше у них шансов снова стать похожими (см. также: Закон необратимости эволюции объяснен на молекулярном уровне, <<Элементы>>, 30.09.2009).

Рис. 4. Пространство последовательностей можно изобразить в виде графа, вершины которого соответствуют разным последовательностям (в данном случае показаны последовательности из двух нуклеотидов), а рёбра — единичным эволюционным событиям (нуклеотидным заменам). В первом случае (a) ландшафт приспособленности представляет собой сплошное ровное плато: все 16 последовательностей имеют одинаково высокую приспособленность и все возможные мутации разрешены (не будут отбракованы отбором). Два к ратчайших пути, соединяющие последовательности AT и GC, состоят всего из двух мутационных шагов (толстые фиолетовые стрелки). Во втором случае (b) половина последовательностей имеют пониженную приспособленность (отмечены черными кругами). При этом снижение приспособленности определяется не конкретным нуклеотидом в конкретной позиции, а уникальной комбинацией обоих нуклеотидов. Согласованное влияние двух или более нуклеотидов (или аминокислот) на приспособленность называют «эпистазом». Эпистаз резко снижает п оходимость ландшафта: число доступных траекторий снижается, и кратчайший путь между двумя пунктами (например, от AT к GC) удлиняется. В третьем случае (c) тоже половина последовательностей имеют пониженную приспособленность, но эпистаза нет: нуклеотиды A и G во второй позиции снижают приспособленность независимо от состояния первой позиции. Отсутствие эпистаза способствует тому, что ландшафт остается легко проходимым, и от AT к GC можно прийти всего за два шага, как и в первом случае. Рисунок из обсуждаемой ст атьи в Nature

Таким образом, ландшафт приспособленности белков отличается повышенной <<складчатостью>>, он похож на труднопроходимый лабиринт узких горных хребтов, передвигаться по которому эволюционирующие белки могут лишь очень медленно. Один из выводов работы состоит в том, что крупномасштабные модели эволюции белков обязательно должны учитывать влияние эпистаза. Кроме того, эту работу можно рассматривать как новый весьма сильный аргумент в пользу единства происхождения всего живого. Подобно тому как разбегающиеся галактики указывают а существовавший в прошлом единый центр, из которого все объекты во Вселенной начали свое движение, так и продолжающееся по сей день <<разбегание>> древних белков недвусмысленно указывает на их происхождение от единого предка (см. также: Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка, <<Элементы>>, 19.05.2010).

Источник: Inna S. Povolotskaya, Fyodor A. Kondrashov. Sequence space and the ongoing expansion of the protein universe // Nature. Advance online publication 19 May 2010. Doi:10.1038/nature09105.

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 

Предыдущие новости

21.05 Экспериментальное изучение естественного отбора в природе: для островных ящериц конкуренция важнее хищников

Эксперименты с популяциями ящериц-анолисов на уединенных островках Багамского архипелага подтвердили гипотезу о том, что направленность отбора у островных популяций в большей степени определяется конкуренцией, чем хищничеством. Высокая плотность (и острая борьба за ресурсы) ведет к избирательному выживанию самых крупных, длинноногих и сильных ящериц. Наличие хищников резко повышает смертность, но не меняет направленность отбора.

20.05 Выяснено магнитное упорядочение оранжевого кислорода

Существует шесть фаз твердого кислорода, различающихся строением кристаллической решетки, электрическими и магнитными свойствами, а также цветом. Как устроено магнитное упорядочение молекул в оранжевой (δ-) фазе, до сих пор оставалось загадкой. Группа ученых из Франции, Швейцарии и США экспериментально установила, что оранжевый кислород содержит три различных магнитных структуры, каждая из которых является антиферромагнитной.

19.05 Формальные статистические тесты подтверждают происхождение всех живых организмов от единого предка

Формальные статистические тесты, основанные на «теории выбора моделей» и не использующие априорного допущения о том, что сходство белковых молекул говорит об их родстве, показали, что гипотеза о едином происхождении всего живого гораздо более правдоподобна, чем альтернативные модели, предполагающие независимое происхождение разных групп организмов от разных предков.

18.05 Голос и объятия одинаково важны

Нейрогормон окситоцин принимает участие в регуляции социального поведения у млекопитающих, не исключая и человека — помогает распознавать знакомых индивидуумов, формирует доверительные отношения, регулирует надежность супружеских связей и т. д. Считалось, что окситоцин выделяется в ответ на тактильный контакт; однако новое исследование показало, что с тем же успехом его выделению способствует и голос.

17.05 Нападки политиков на климатологов угрожают не только науке

Недавно в журнале Science появилась статья за подписью сразу 255 известных американских ученых, членов Национальной академии наук США. Эта статья фактически представляет собой открытое письмо, полное тревоги. Авторы письма призывают политиков, журналистов и просто всех граждан обратить самое серьезное внимание на проблему меняющегося климата и прекратить необоснованные нападки на ученых-климатологов.

15.05 Нейрофибриллярные клубки при болезни Альцгеймера — не убийцы, а защитники клеток?

Как и большинство нейродегенеративных заболеваний, болезнь Альцгеймера характеризуется появлением внутриклеточных белковых включений в пораженных областях мозга. Раньше считалось, что именно эти включения и доводят клетку до гибели. Однако в недавней работе показано, что белковые агрегаты — это, наоборот, попытка клетки взять патологические процессы под контроль и избежать смерти.

13.05 Чистые руки — залог объективности

Эксперименты, проведенные американскими учеными, показали, что психологический эффект мытья рук распространяется не только на моральную сферу. Омовение снимает «когнитивный диссонанс», порожденный сомнениями в правильности сделанного выбора. В результате у человека снижается потребность в пересмотре своих ценностей и приоритетов для оправдания принятого ранее решения.

10.05 Геном неандертальцев прочтен: неандертальцы оставили след в генах современных людей

Ученые, работающие в рамках международного проекта по прочтению ядерного генома неандертальца, завершили расшифровку значительного объема информации. Они выявили важнейшие гены, отличающие человека разумного от его ближайшего гоминидного сородича — неандертальца. И более того, удалось надежно подтвердить версию о скрещивании неандертальцев с древними европейцами.

08.05 Анализ спутниковых снимков позволил оценить ежегодные потери лесов по всей планете

Опираясь на дистанционные методы обследования поверхности Земли, американские ученые показали, что общая площадь, занятая лесами на всех континентах, с 2000-го по 2005 год сократилась на 3,1%. В наибольшей мере это коснулось таежных лесов, уничтожаемых пожарами, а также влажных тропических лесов, которые интенсивно сводятся человеком для освобождения площадей под сельскохозяйственные угодья.