По оценкам, в клетках работает от 20 000 до 30 000 белков, выполняющих бесчисленные функции, говорит специалист по вычислительной молекулярной биологии Роман Слуцкий из Массачусетского университета в Амхерсте. «Один из центральных вопросов во всей биохимии и молекулярной биологии, - добавляет он, - как определяются их точно настроенные функции».
Большинство белков принадлежат к семействам, связанным друг с другом так же, как и виды, поскольку произошли от общего предка, говорит Слуцкий. Один из аспектов, который ученые выбрали для изучения того, как возникают их функции, заключается в том, чтобы проследить эволюцию и родство белковых семейств, отмечает он, но реконструировать повороты и повороты прошлого генетического расхождения очень сложно..
В статье, только что опубликованной в eLife, Слуцкий и его бывший советник, доцент Кристен Нэгл, ныне работающая в Университете Вирджинии, предлагают необычный, новый и более точный способ проследить, как белки расходятся во времени. «Это может дать глубокое понимание взаимосвязи между последовательностью, структурой и функцией белка для этого семейства», - говорит он. Статья представляет собой часть его докторской работы с Нэглом в Вашингтонском университете в Сент-Луисе.
Как объясняет Слуцкий, «Многие ученые-белки, включая нас, полагаются на реконструкцию эволюции интересующих их белков при разработке своих исследовательских стратегий. Когда эти реконструкции неверны, мы рискуем неправильно интерпретировать результаты наших экспериментов. Хотя, как мы показываем, абсолютно точные реконструкции часто невозможны, понимание пределов точности реконструкции позволяет нам планировать исследования, устойчивые к этой неопределенности, и помогает нам избежать неправильной интерпретации результатов».
Сейчас в лаборатории Маргарет Страттон в Массачусетском университете в Амхерсте она и Слуцкий особенно интересуются семейством клеточных сигнальных белков, называемых кальций/кальмодулин-зависимой киназой II (CaMKII), ключевыми игроками в нервно-психических расстройствах, некоторых видах рака, сердечно-сосудистых заболеваниях. аритмии и нарушения фертильности, вызванные нарушением регуляции передачи сигналов клетками, говорит он. «Если мы достаточно хорошо понимаем правила, регулирующие функциональную специфичность, мы можем применять это для разработки высокоспецифичных методов лечения, чтобы максимизировать эффективность и минимизировать побочные эффекты».
«Фундаментальная проблема эволюции в целом заключается в том, что истина прошлого непознаваема», - добавляет Слуцкий. «Поэтому, когда вы пытаетесь разработать метод реконструкции истории эволюции, вы должны моделировать эволюционный процесс».
Для этого вычислительные исследователи строят белок-предок с известной последовательностью, затем моделируют серию аминокислотных замен, чтобы получить набор реалистичных белковых последовательностей, для которых они знают всю историю эволюции. «Это дает нам набор данных, в котором мы можем проверить точность реконструкции, потому что мы знаем, что происходило на каждом этапе», - отмечает он. «Это говорит нам о том, насколько хорошо работает метод, поэтому, когда мы начинаем работать с белками в реальном семействе, у нас есть представление о том, насколько точна реконструкция в целом».
"Мы впервые представляем метод оценки точности реконструкции, основанный на наблюдаемых фактах - родстве между группой белков. Делая это снова и снова, мы получаем диапазон, в котором истинная история можно ожидать."
Naegle использует аналогию с путешествием, чтобы показать, как их новый подход ограничивает набор решений: все 1000 ответов, скорее всего, верны. Никто никогда не может знать реальный путь - в данном случае эволюцию, - но если ни одно предсказание не согласуется с более чем 1000 ответов, мало кто может быть уверен в их точности. Но если все 1000 согласятся на каких-то этапах, то уверенность в том, что новая модель на ее основе будет верной, выше. Это все еще может быть не совсем точным, но это, вероятно, ближе, чем любое отдельное предложение маршрута, говорит она.
Слуцкий добавляет, что вместо того, чтобы реконструировать все возможные расхождения белков, их метод фокусируется только на части истории, чтобы создать множество различных версий. Это дает ансамбль возможных решений. «Мы реконструируем меньше, чем другие методы, но ту часть, которую мы реконструируем, мы делаем более точно», - отмечает он.
Он признает: «Это не традиционный метод. Наш подход использует то, что мы уже знали об эволюции белковых семейств, но по-новому. Этот факт был известен много лет, но никто им не воспользовался. Мы фокусируемся на этом. Реконструируя несколько правдоподобных моделей, в зависимости от ожидаемой точности прогноза, наш метод может предоставить одного или несколько кандидатов с обещанием, что все они максимально точны. В статье мы показываем, что все они более точны, чем любой из существующих методов».