Международная группа исследователей из России, США, Чехии, Израиля и Испании впервые описала взаимодействие большого количества мутаций в одной белковой молекуле. В качестве биологического образца использовался зеленый флуоресцентный белок из медузы Aequorea victoria. Нашу страну в исследовательском коллективе представлял научный сотрудник Института биоорганической химии РАН (ИБХ) Карен Саркисян и его коллеги из МГУ, МФТИ и Нижегородской медицинской академии. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Ученых интересовало, как накапливающиеся в белке мутации взаимодействуют между собой, и насколько часто это может происходить в белковой эволюции. Они разработали способ, позволяющий одновременно измерить функциональность десятков тысяч мутантов одного белка и использовали его, чтобы определить, как мутации влияют на яркость зеленого флуоресцентного белка в зависимости от присутствия в гене других мутаций. Иными словами, ученые исследовали «ландшафт приспособленности» — своеобразный маршрут, в котором каждой точке пространства соответствует определенный генотип, а ее высота определяется приспособленностью этого генотипа.
Для того чтобы изучить функциональность мутантов, ученые привили мутантные гены бактерии Escherichia coli, а далее использовали клеточный сортер — прибор, автоматически сортирующий клетки по восьми пробиркам, в зависимости от интенсивности их свечения. Секвенирование ДНК мутантных генов из каждой пробирки и анализ данных позволили построить шкалу корреляции яркости флуоресценции каждого мутанта с его генетическим кодом.
Исследователи выяснили, что только каждая четвертая аминокислотная замена оказывается нейтральной. Большая же часть мутаций отрицательно сказывается на «работоспособности» белка. Кроме того, они заметили, что если одна незначительная мутация в гене уже присутствует, негативный эффект последующих мутаций будет усугубляться, значительно раньше вызывая полную потерю функциональности белка, чем в случае независимости эффектов мутаций друг от друга.
«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», — объяснил биохимик Дмитрий Болотин, научный сотрудник ИБХ.
Относительно недавно считалось, что, установив последовательность ДНК, можно будет найти несколько конкретных изменений гена, которые бы объяснили основную причину многих генетических заболеваний. Сегодня же стало очевидно, что такие болезни вызываются целым набором мутаций в большом количестве генов.
Результаты исследования позволяют генетикам начать поиск эффекта взаимодействий мутаций, встречающихся при сложных полигенных заболеваниях.
Читайте также на портале Научная Россия о генетических маркерах, влияющих на успешность учебы.
