Эволюция укладок, по литературным данным: обзор событий, изменяющих укладки

Эволюция укладок, по литературным данным: обзор событий, изменяющих
укладки
Классификация CATH 3D структур белков (http://www.cathdb.info/) на данный момент насчитывает 16
миллионов различных доменов, и 2 626 суперсемейств. Возникли ли все эти структуры независимо или
эволюционировали друг из друга? Скорее всего, имел место некий промежуточный вариант – ограниченный
набор «базовых» укладок возник независимо, а все остальные произошли в результате эволюции.
Как происходит эволюция укладок? Существует несколько типов мутаций, которые приводят к изменению
укладки.
1. Точечные замены

Цистеин-богатый домен (Cystein Rich Domain, CRD) входит в состав миниколлагенов и рецепторов на
поверхности нематоцист у представителей Cnidaria (коралловых полипов, гидромедуз…) Это
небольшой домен (80 а.к.) содержащий 6 консервативных цистеинов, которые формируют 3
дисульфидные связи. Однако порядок объединения цистеинов в дисульфидные связи может быть
различным: (8–20,12–25,16–24) для миниколлагена и (8–24,12–20,16-25) для рецептора. В результате
получаются совершенно разные структуры (Рис. 1)
Рисунок 1. Слева - CRD рецептора нематоцисты (NW1). Справа - CRD миниколлагена (Mcol1C).
Несмотря на различные структуры, эти домены, очевидно, имеют общее происхождение. И интересно
посмотреть, насколько эволюционно они далеки друг от друга.
Оказалось, что достаточно внести 2 мутации (Pro21 и Val11), чтобы домен NW1 начал сворачиваться как
Mcol1C. Были созданы два мутанта NW1: NW1-Pro21 и NW1-Pro21-Val11.
NW1-Pro21 в растворе принимает две различные конформации – похожую на NW1 и похожую на Mcol1C.
NW1-Pro21-Val11 принимает единственную конформацию, похожую на Mcol1C.
Это наглядный пример того, что эволюция укладок может происходить путем точечных замен, причем одна
мутация может кардинально поменять структуру белка. [3 ]
Рисунок 2. Возможная эволюция CRD. Розовым показано положение мутированных остатков.
2.
Делеции и вставки
Причины вставок и делеций:
1) Рекомбинация (гомологичная и негомологичная).
2) Передвижение мобильных элементов.
3) Потеря/вставка стоп-кодона.
4) Появление новых экзонов.

NFP (nonfluorecent flavoprotein) - один из характерных примеров изменения структуры в результате
делеции. NFP, видимо, произошел из люциферазы (LUC) путем делеции 90 аминокислотных остатков.
В результате делеции исчезли 2 альфа спирали и бета-тяж, и один бета-тяж изменил свою
конформацию – в NFP он направлен в другую сторону. С изменением структуры теряется способность
белка флюоресцировать. Зачем нужен NFP фотобактериям – неясно.
Вставка на выравнивании отмечена красным.
Рисунок 3. NFP (слева) PDB ID: 1NFP и люцифераза (справа) PDB ID: 1LUC. Чтобы замкнуть гидрофобное ядро TIMбарреля, один бета-тяж (показан розовым) принял антипараллельную конформацию. Область делеции показана
зеленым.

Другой пример изменения структуры в результате инделя -- это превращение альфа-спирали в меандр
из трех бета-тяжей. Особенно часто это происходит в укладке Россманна. PSI-BLAST для укладки
Россмана с альфа спиралью находит гомологичные последовательности, но с меандром. На рисунке
изображены нуклеотидсвязывающие домены NADH оксидазы (зеленым) и лактатдегидрогеназы
(красным). Домен лактатдегидрогеназы – это классическая укладка Россмана, альфа спирали
чередуются с бета-тяжами. У NADH оксидазы верхняя альфа-спираль замещена меандром.
Рисунок 4. Нуклеотидсвязывающие домены
лактатдегидрогеназы(слева, PDB ID:1LDN) и NADH оксидазы(справа, PDB ID:2BC1)
На выравнивании такой переход выглядит как индель (отмечен красным).
3. Циклические перестановки
Циклическая перестановка – один из видов посттрансляционной модификации белков. Если C-конец и Nконец расположены близко друг к другу, то между ними можно образовать пептидную связь, разорвав при
этом пептидную связь в другом месте белка.
Можно найти «циклические перестановки» и на генном уровне – когда одни и те же участки
последовательности соединены в другом порядке. В результате такой перестановки тип укладки не меняется,
но меняется топология. Как возникают такие перестройки? Для этого должно произойти несколько
маловероятных событий:
1) дупликация гена(AB), в результате чего возникает тандемный повтор АВ—АВ
2) потеря стоп-кодона между генами ABAB
3) возникновение старт-кодона в середине первого гена A—BAB
4) возникновение стоп-кодона в середине второго гена A—BA—B
Однако в природе циклические перестановки происходят довольно часто. Видимо из-за того, что на каждом
шаге функция белка сохраняется, поэтому естественный отбор на такие мутации действует слабо.

Циклическая перестановка произошла в семействе S-аденозилметионин зависимых метилтрансфераз.
Две альфа-бета субъединицы из начала полипептидной цепи перешли в конец. На рисунке 5 показан
исходный белок – метилтрансфераза из Thermus aquaticus. N-конец белка покрашен синим, С-конец
красным. Видно, что две нижние альфа-спирали и два бета-тяжа расположены ближе к N -концу (к
синему). На рисунке 6 изображена другая метилтрансфераза, из Proteus vulgaris. Тип укладки остается
прежним – сверху и снизу альфа-спирали, посередине бета-слой. Общая структура сохраняется, но
две нижние альфа спирали расположены ближе к С-концу (к красному) и есть «лишняя» альфаспираль. Немного изменилось расположение лиганда.
Рисунок 5. Метилтрансфераза из Thermus aquaticus.PDB
ID:1AQI
Рисунок 6. Метилтрансфераза из Proteus vulgaris. PDB ID:
1BOO
4. Поворот и внедрение бета-
шпильки.
Изменения бета структуры
можно рассматривать на
примере ретинолсвязывающего белка.
Ретинол-связывающий
белок представляет собой
бета-бочонок из 8 антипараллельных тяжей. Внутри бочонка связывается гидрофобный субстрат. Существует
гомологичный белок, связывающий ретиноевую кислоту (PDB ID: 1CBS на картинке оранжевый). Но он состоит
уже из 10 антипараллельных тяжей. 1CBS отличается от ретинол-связывающего «внедренной» беташпилькой (показана зелёным). Такая мутация позволила связывать более объёмный субстрат. Внедрение
происходит из-за того, что необходимо замкнуть гидрофобное ядро. На выравнивании виден участок вставки
(красный), который соответствует новой шпильке.
Другой гомолог ретинол-связывающго белка – ингибитор тромбина триабин (на рисунке показан красным). Он,
как и ретинол-связывающий белок, состоит из восьми бета-тяжей. Однако ориентация тяжей не везде
антипараллельна – одна бета шпилька развернулась на 180 градусов (показана зелёным), и находится с
соседними тяжами в параллельной конформации. Это изменение обосновано с функциональной точки зрения
– для ингибирования тромбина нет необходимсти связывать что-то внутри бета-барреля, а из-за поворота
шпильки петли перекрываются и закрывают отверстие бочки.
.
Рисунок 7. Изменение бета-структуры. Ретинол=связывающий белок показан
синим (в центре, PDB ID: 1HBQ); триабин показан красным (слева, PDB ID: 1AVG); белок, свзывающий ретиноевую
кислоту показан оранжевым (справа, PDB ID: 1CBS)
На этом обзор событий изменяющих укладки заканчивается. И начинаются вопросы связанные с эволюцией
белков.
Белки-хамелеоны
Известны белки, которые существуют в
нескольких стабильных конформациях.
Соотношение конформаций определяется
законами равновесия. В самой вероятной своей
конформации белок выполняет основную
функцию, а в альтернативных конформациях он
может связывать другие лиганды. Мутация,
повышающая стабильность альтернативной
структуры сдвигает равновесие в сторону
побочной реакции. Показано, что естественным
отбором побочная реакция может усилиться в
несколько сот раз.[5] Таким способом белок
может приобретать новую функцию, сохраняя старую.[2]
Как возникали белки?
Когда древнейшие организмы научились соединять
аминокислоты в полипептидную цепь, то сначала у них
получались неструктурированные белки, так как
случайная последовательность аминокислот вероятнее
всего не имеет выраженной вторичной структуры.
Такие белки принимают множество различных
конформаций. Связывание лиганда делало
конформацию более стабильной, её концентрация
повышалась. Если такое связывание было чем-то
полезно, то естественным отбором закреплялись
мутации, которые стабилизировали эту конформацию .В результате вокруг лиганда «наростал» стабильный
белок.[2]
Сходство последовательностей и сходство структур
Был проведен интересный эксперимент. В белке, с преимущественно бета-структурой заменили 50%
аминокислот. В результате получилась полностью альфа-структура. Это говорит о том, что сходность
последовательностей совсем не означает сходство структур. Обратное тоже верно – есть много примеров
негомологичных белков с очень похожей структурой. [4]
Классификация доменов.
Разделение структур на семейства имеет чисто формальный характер, в природе же существуют все
переходные формы от одного типа структуры к другому. Это хорошо иллюстрирует переход от полностью
альфа к полностью бета белку (см рисунок). На момент выхода статьи (Grishin, 2001), ещё недостаточно
структур было определено, чтобы показать переход от альфа к бета укладке у гомологичных белков.
Я попыталась найти с помощью PSI-BLAST такой же путь для гомологичных последовательностей. Мои
попытки закончились неудачей(( Взяв за исходную структуру греческий ключ (a) я даже не нашла
гомологичной последовательности со структурой (с).
Список литературы
1. Grishin (2001). Fold Change in Evolution of Protein Structures.
2. Nobuhiko Tokuriki and Dan S. Tawfik (2009). Protein Dynamism and Evolvability.
3. Sebastian Meier, Pernille R. Jensen,Charles N. David, Jarrod Chapman, Thomas W. Holstein,
Stephan Grzesiek, (2007) Continuous Molecular Evolution of Protein-Domain tructures by Single
Amino Acid Changes.
4. Seema Dalal, Suganthi Balasubramanian, Lynne Regan (1997). Prorein alchemy: Changing betasheet into alpha-helix.
5. Gil Amitai, Rinkoo Devi Gupta, and Dan S. Tawfik (2006). Latent evolutionary potentials under the
neutral mutational drift of an enzyme