Биологи впервые смогли измерить взаимодействие многих мутаций в одной белковой молекуле – для этого они изучили десятки тысяч вариантов зеленого флуоресцентного белка из медузы Aequorea victoria (подробно об этом белке мы рассказывали ранее). Об исследовании сообщается в совместном пресс-релизе Институт биоорганической химии и Московского физико-технологического института. Полученные результаты проясняют механизмы белковой эволюции и позволяют глубже понять, почему эффекты мутаций зависят от генетического контекста, в котором они произошли.
Карен Саркисян, сотрудник Института биоорганической химии РАН и первый автор статьи рассказывает, что ученым нужно было одновременно измерить функциональность десятков тысяч мутантов одного белка и определить, как влияние мутаций на яркость зеленого флуоресцентного белка зависит от присутствия в гене других мутаций. Для этого Саркисян и его коллеги из МФТИ, МГУ, Нижегородской медицинской академии, Института белка и других научных организаций России, Испании, США, Чехии и Израиля исследовали так называемый «ландшафт приспособленности» (fitness landscape). Эту метафору биологи используют, чтобы представить эволюцию организмов как прогулку по ландшафту, в котором каждой точке пространства соответствует определенный генотип, а ее высота определяется приспособленностью этого генотипа.
Ученые заставили мутантные гены работать в бактерии Escherichia coli, а затем использовали автоматический прибор — клеточный сортер, — чтобы рассортировать клетки по восьми пробиркам, в зависимости от яркости их флуоресценции. Прочтение ДНК мутантных генов из каждой пробирки и последующий анализ данных позволили сопоставить яркость флуоресценции каждого мутанта с его генотипом. Они обнаружили, что только каждая четвертая аминокислотная замена оказывается нейтральна, большинство же мутаций негативно сказывается на функциональности белка. Если одна слабовредная мутация в гене уже присутствует, негативный эффект последующих мутаций будет усугубляться, приводя к полной потери белком функциональности значительно раньше, чем при независимости эффектов мутаций друг от друга.
а. Иллюстрация концепции ландшафта приспособленности зеленого
флуоресцентного белка. Зеленая точка в центре - немутированный белок,
точки на окружностях - мутантные варианты с одной, двумя и тремя
отличающимися аминокислотами. Цвет отражает фенотип (индивидуальные
свойства) мутанта: зеленый - мутант ярко светится, серый - мутант не
светится. Стрелки отражают возможные маршруты движения по ландшафту
приспособленности.
b. Визуализация всех полученных в работе данных на одной картинке.
Последовательность зеленого флуоресцентного белка изображена в виде
окружности: каждый маленький сектор обозначает одну аминокислотную
позицию. Чем дальше круг находится от центра, тем больше мутаций
содержит белок. Доля зеленого в каждом секторе отражает долю
функциональных мутантов.
Исследователям также удалось прояснить вероятные биофизические механизмы взаимодействия мутаций. «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. Такой механизм «учета» мутаций может помогать эволюции эффективно отсеивать варианты генов со слабовредными мутациями, – заключает Дмитрий Болотин, сотрудник ИБХ, один из ключевых авторов статьи.
С использованием искусственных нейронных сетей, тренированных лишь на части полученных данных, исследователям удалось достаточно точно предсказывать яркость флуоресценции мутантных белков, с которыми нейронная сеть в процессе обучения не сталкивалась.
Исследование опубликовано в журнале Nature.
