Ученые выяснили механизм эволюции зеленого флуоресцентного белка

Биологи впервые смогли измерить взаимодействие многих мутаций в одной белковой молекуле - для этого они изучили десятки тысяч вариантов зеленого флуоресцентного белка из медузы Aequorea victoria (подробно об этом белке мы рассказывали ранее). Об исследовании сообщается в совместном пресс-релизе Институт биоорганической химии и Московского физико-технологического института. Полученные результаты проясняют механизмы белковой эволюции и позволяют глубже понять, почему эффекты мутаций зависят от генетического контекста, в котором они произошли.

Карен Саркисян, сотрудник Института биоорганической химии РАН и первый автор статьи рассказывает, что ученым нужно было одновременно измерить функциональность десятков тысяч мутантов одного белка и определить, как влияние мутаций на яркость зеленого флуоресцентного белка зависит от присутствия в гене других мутаций. Для этого Саркисян и его коллеги из МФТИ, МГУ, Нижегородской медицинской академии, Института белка и других научных организаций России, Испании, США, Чехии и Израиля исследовали так называемый «ландшафт приспособленности» (fitness landscape). Эту метафору биологи используют, чтобы представить эволюцию организмов как прогулку по ландшафту, в котором каждой точке пространства соответствует определенный генотип, а ее высота определяется приспособленностью этого генотипа.

Ученые заставили мутантные гены работать в бактерии Escherichia coli, а затем использовали автоматический прибор - клеточный сортер, - чтобы рассортировать клетки по восьми пробиркам, в зависимости от яркости их флуоресценции. Прочтение ДНК мутантных генов из каждой пробирки и последующий анализ данных позволили сопоставить яркость флуоресценции каждого мутанта с его генотипом. Они обнаружили, что только каждая четвертая аминокислотная замена оказывается нейтральна, большинство же мутаций негативно сказывается на функциональности белка. Если одна слабовредная мутация в гене уже присутствует, негативный эффект последующих мутаций будет усугубляться, приводя к полной потери белком функциональности значительно раньше, чем при независимости эффектов мутаций друг от друга.

Исследователям также удалось прояснить вероятные биофизические механизмы взаимодействия мутаций. «Мы ожидали увидеть, что друг на друга будут влиять аминокислоты, расположенные близко в структуре белка. Вместо этого оказалось, что пары взаимодействующих мутаций распределены по структуре белка, на первый взгляд, довольно случайно. Мы смоделировали влияние мутаций на энергию сворачивания и выяснили, что, вероятно, когда суммарный груз всех накопившихся мутаций превышает определенный порог - в области 7-9 ккал/моль, - белок просто перестает сворачиваться, и флуоресценция пропадает. Такой механизм «учета» мутаций может помогать эволюции эффективно отсеивать варианты генов со слабовредными мутациями, - заключает Дмитрий Болотин, сотрудник ИБХ, один из ключевых авторов статьи.

С использованием искусственных нейронных сетей, тренированных лишь на части полученных данных, исследователям удалось достаточно точно предсказывать яркость флуоресценции мутантных белков, с которыми нейронная сеть в процессе обучения не сталкивалась.

Исследование опубликовано в журнале Nature http://www.nature.com/nature/journal/vaop/ncurrent/full/nature17995.html

Источник: http://polit.ru/news/2016/05/13/ps_gfp/

Источник: www.nature.com

Комментарии: