Некоторые молекулярные биологи, изучающие белки, регулирующие работу клеток, в том числе Элизабет Вирлинг из Массачусетского университета в Амхерсте, не ограничивают свои исследования пониманием текущей роли молекул. Они также углубляются в эволюционное прошлое белков, чтобы выяснить, какие структуры позволили белкам с новыми функциями развиваться в ответ на новые потребности.
Эксперт в области того, как растения справляются с жарой, Вирлинг в течение многих лет интересовался небольшими белками теплового шока (HSP), которые накапливаются в растениях при высоких температурах и действуют как «молекулярные шапероны», защищая другие белки от урон.
Для работы, о которой сообщается в текущем выпуске журнала Science, Вирлинг, Инду Сантанагоплан и Эман Баша из Университета Массачусетса в Амхерсте и давний сотрудник Вирлинга, Джастин Бенеш и его группа из Оксфордского университета, эксперты в области биофизики белков, рассмотрели два типа малых HSP. чтобы решить то, что они называют «основной эволюционной загадкой». То есть, как два разных типа малых HSP, класса I и класса II, эволюционировали из одного типа более 400 миллионов лет назад, чтобы сформировать два разных типа с разными функциями.
«Всегда важно учитывать эволюцию, когда вы смотрите на функцию белка, потому что она дает представление о потенциальных функциональных различиях, а также о функциях, важных для функции», - отмечает Вирлинг.
Она объясняет: «Мы знаем, что мхи, одни из первых растений, которые поселились на суше, а также все другие растения, которые мы видим вокруг нас, могут образовывать маленькие HSP класса I и II. продемонстрировали, что эти два небольших HSP имеют разные функции, хотя то, как именно они работают, остается неясным. Однако у водорослей, появившихся раньше наземных растений, есть только один тип этих маленьких HSP. Следовательно, когда-то, когда у растений развивались функции, необходимые для жизни на суше, они в основном дублировали свой единственный маленький HSP, чтобы создать два типа маленьких HSP, и это, должно быть, было выгодно».
Маленьким СЧЛ было бы легко дублировать себя и продолжать развиваться, добавляет она, если бы каждый из них действовал как единое целое. «Но большинство белков работают в комплексах, - отмечает она, - с партнерами либо из большего количества одних и тех же белковых единиц, либо из разных. Это затрудняет разработку новой функции, потому что новая функция может потребовать смены партнеров. Новые партнеры не только подходить друг к другу, но может и не быть беспорядочными. То есть они не могут действовать в комплексе с исходным блоком. Это касается малых ГСП, которые собираются в додекамеры по 12 таких же блоков."
«Миллионы лет назад, когда произошла небольшая дупликация HSP, - говорит молекулярный биолог, - они были идентичными, как клоны. В какой-то момент они развили достаточно различий, чтобы больше не собираться вместе. Они начали делать разные вещи."
В этой работе Вирлинг говорит, что ее лаборатория предоставила знания о двух небольших HSP и понимание их функциональных различий. Они также создали мутантный белок, важный для демонстрации структурных сходств и различий между ними. Лаборатория Бенеша внесла свой вклад в передовые биофизические характеристики белков, принципы белковой архитектуры и сборки, а также биофизику, окружающую их.
Вирлинг говорит, что обычно, когда исследователи изучают, как собираются белковые структуры, они обращают внимание на то, где структуры соприкасаются, потому что именно там они совместимы. «Одно из новых понятий этой работы заключается в том, что мы обнаружили, что есть места вдали от взаимодействующих поверхностей, которые влияют на то, могут ли они собираться. факторы."
Она добавляет: «Эта статья использует всю причудливую биохимию и биофизику, чтобы показать, почему эти два маленьких HSP не могут собраться вместе. Причина связана с энергетикой окончательной структуры, и некоторые данные могут быть довольно эзотерические для биологов-эволюционистов. Но поскольку физические принципы контролируют структуру белка и взаимодействие, это важные факторы, которые следует учитывать при изучении эволюции белка. Эта работа также еще больше укрепляет признание того, что эти два небольших HSP должны играть очень разные роли в клетке."
В дополнение к экспериментам команда использовала компьютерное моделирование, чтобы посмотреть, как изменения в том, как два белка могут выглядеть при столкновении друг с другом, могут повлиять на их способность собираться в виде додекамер или единиц из 12 частей. Один из первых соавторов, Георг Хохберг, также провел обширный биоинформатический анализ белковых баз данных, чтобы поместить работу в широкий эволюционный контекст.
Она говорит: «Когда данные собраны вместе, расчеты основных физических параметров могут показать, что было бы энергетически выгодно создавать додекамеры из одного и того же типа субъединиц. Это было результатом не только очень небольших изменений в частях белков, которые слипаются в двенадцатикамерной камере, но также и из-за того, что части белка переворачиваются, прежде чем слипнуться. Эта информация представляет интерес для разработки белковых комплексов, которые могут функционировать по-новому».
Кроме того, данные предсказывают, что комплексы со многими идентичными единицами, такие как малые HSP класса I и II, редко встречаются в природе, что предполагает, что их важность для растений не следует недооценивать, и определение их точного механизма действия в защите растений является важная цель. Вирлинг, который является членом группы изучения белкового гомеостаза Models to Medicine (M2M) в Институте прикладных наук о жизни Университета Массачусетса в Амхерсте, получил поддержку в этой работе от Национального института здравоохранения США и Массачусетского центра наук о жизни.