Исследователи из Медицинского кампуса Anschutz Университета Колорадо и Университетского колледжа Лондона разработали новую теорию молекулярной эволюции, предлагающую понимание того, как функционируют гены, как можно предсказать скорость эволюционного расхождения и как возникают вредные мутации на базовом уровне.
«Молекулы являются основой всей жизни, и мы хотели выяснить, почему молекулы эволюционируют именно так, как они это делают», - сказал соавтор исследования Дэвид Поллок, доктор философии, профессор биохимии и молекулярной генетики в Медицинской школе Калифорнийского университета..
Поллок и его коллега Ричард Гольдштейн, доктор философии, профессор инфекций и иммунитета в Университетском колледже Лондона, опубликовали исследование 23 октября 2017 года в журнале Nature Ecology and Evolution.
Их теория эволюционной механики превращает эволюционирующие молекулярные системы в структуру, в которой можно применять инструменты статистической механики, открывая новое окно в то, как работает эволюция белка.
«Подход основан на понимании белков как интегрированных систем», - сказал Гольдштейн. «Слишком часто мы игнорируем взаимодействие между различными частями белка, но мы знаем, что изменения в одной части белка влияют на последующие изменения в других частях. Оказывается, это действительно важно для понимания того, почему эти молекулы эволюционируют именно так».
Белки постоянно изменяются по мере того, как мутации закрепляются или устраняются в зависимости от структуры, функции и стабильности белка. Это зависит от взаимодействий аминокислот в белке, которые вызывают эволюцию в одном месте, чтобы изменить вероятность эволюции в других участках.
Ученые обнаружили, что они могут предсказывать скорость эволюции белков на основе их биохимических свойств.
"Это был настоящий сюрприз", сказал Поллок. «Наша теория учитывает хорошо известные эффекты популяционной генетики, такие как сила отбора и эффективный размер популяции, но они выпадают из окончательных уравнений, предсказывающих скорость молекулярной эволюции».
В течение многих лет исследователи сталкивались с проблемами стандартных моделей молекулярной эволюции, используемых при изучении эволюционных взаимоотношений между видами. Это привело к трудностям в реконструкции важных эволюционных событий у предковых организмов.
Обнаружено, что эти модели молекулярной конвергенции регулярно меняются в течение эволюционного времени таким образом, что это указывает на постоянно колеблющиеся ограничения в различных частях белков.
«Это переворачивает обычное представление о том, что аминокислоты приспосабливаются к требованиям остальной части белка», - сказал Гольдштейн. «Но мы не могли точно объяснить, почему это произошло, и была ли в этом процессе какая-то закономерность».
Но как только система была помещена в рамки статистической механики, масштабы укоренения аминокислот стали рассматриваться как центральные для понимания скорости эволюционного расхождения.
Исследователи заявили, что сила отбора в эволюции белка уравновешивается энтропией фолдинга последовательности, числом последовательностей, которые обеспечивают белок с заданной степенью стабильности.
«Нам нравится думать о других аминокислотах как о группе детей, прыгающих на матрасе с эффектом памяти, пока вы пытаетесь ходить по нему», - сказал Поллок. «Большую часть времени ваши ноги утопают в матрасе, и вы не можете сделать шаг вперед, но время от времени дети оставляют на матрасе вмятину, которая позволяет вам сделать шаг вперед».