Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982
Эволюция белков
Слияние генов
Мультипликация генов
До сих пор рассматривались вопросы слияния различных генов. Однако во многих случаях наблюдается слияние идентичных генов, что указывает на то, что перед слиянием генов происходит их дупликация.
Смежные мультиплетные гены кодируют генные продукты, например рибосомальную РНК и гистоны. Многократное повторение (без слияния) структурного гена, приводящее к специфическим новым генам, является известным эволюционным процессом. Смежные мультиплетные гены [582, 583] кодируют генные продукты, например рибосомальную РНК или гистоны [487]. В случае рибосомальной РНК преимущество по сравнению с одиночным геном очевидно: продукт транскрипции (если не учитывать реакции модификации) является конечным продуктом; многократного воспроизведения конечного продукта гена в рибосомальном механизме не предусмотрено. В случае гистонов было выдвинуто предположение, что транскрипция мультиплетного гена в гистон — мРНК дает большие количества этих белков, которые необходимы на ранних стадиях эмбриогенеза. Многочисленные копии гистон — мРНК. вероятно, вытесняют из рибосом другие виды мРНК [542].
По-видимому, мультипликация генов важна для дифференциации белков. Предполагается, что мультипликация генов играла важную роль в эволюции структуры и функции белков [523, 525, 582, 584, 585, 592]. После кратного воспроизведения генов одна копия выполняет первоначальную функцию, тогда как другая (или другие) может развиваться для выполнения близкой или новой функции. Наиболее хорошо известными примерами являются гены человека, кодирующие a-, ß-, у-, в- и ζ-цепи гемоглобинов и миоглобин. Ведется полемика (работы [586] и [523]) по вопросу о том, сколько поколений избыточного гена могут существовать в геноме и являются ли недеятельные (спящие) формы этой экстракопии возможными промежуточными продуктами в процессе развития белка с новой функцией.
Повторяемость структуры в белке может также вызываться неодинаковым перекрестным соединением генов (кроссинговером).
Мультипликация генов с последующим их слиянием приводит к генным продуктам с двумя или более идентичными субструктурами [587]. Однако, как показывает нижеследующий пример, к такому же результату могут привести и другие процессы. Случай частичной структурной дупликации обнаружен в редкой а2-цепи гаптоглобина человека [145, 588]. Поскольку аминокислотные последовательности обеих частей идентичны, а также идентичны с большим участком обычной а1-цепи, эта структурная дупликация должна была произойти совсем недавно. Скорее всего она вызвана хромосомной аберрацией (неэквивалентным кроссинговером) в предшествующей популяции (человека). Если бы это событие произошло намного раньше, так что гомология последовательностей оказалась бы стертой аминокислотными заменами, вставками и делециями, различить дупликацию и последующее слияние генов, с одной стороны, и хромосомную аберрацию — с другой, было бы невозможным. Поэтому все очень давно возникшие случаи структурных повторений обычно относят к «дупликациям генов», не пытаясь провести различия между разными механизмами.
Некоторые повторения можно обнаружить по повторяющемуся в структуре расположению дисульфидных связей. Структурные повторения часто могут быть идентифицированы по расположению связей S—S, как было показано на примере агглютинина зерна пшеницы, рис. 7.2, а. Четырехкратное повторение подтверждено наличием соответствующего повторения в трехмерной структуре [316]. Сложная генеалогия сывороточного альбумина была постулирована на основе внутренних гомологий аминокислотной последовательности [82, 589], которые явствуют из расположения дисульфидных связей, рис. 7, 2, б. По-видимому, имели место следующие эволюционные этапы: на самой ранней стадии кодирование геном белка из приблизительно 80 аминокислот и образование S—S-связи → трипликация этой структуры → делеции приблизительно 30 остатков → дупликация полученной структуры, которая привела к белку, состоящему из 400 аминокислот, с последующей дупликацией половины этой структуры.
Изобилие структурных повторений свидетельствует о том, что новые формы укладки цепей были редкими, но очень важными нововведениями. Дупликация аминокислотной последовательности и укладки цепи обнаружены в ферредоксине (разд. 5-3). В парвальбумине повторение последовательности наблюдается в основном для остатков, находящихся в центре связывания Са2+, однако общее повторение укладки цепи явно проявляется в третичной структуре [59, 590]. Простое повторение типа свертывания цепи без какой- либо гомологии в аминокислотной последовательности встречается в роданезе (рис. 5.17, а), а также в трипсиноподобных белках, где эти участки имеют вид двух цилиндров (рис. 5.17, г). Все эти примеры показывают, что новый тип свертывания цепи возникал чрезвычайно редко, а новая укладка цепи повторялась и затем сохранялась в каждой копии.
Дупликация генов была постулирована для NAD-связывающих доменов четырех дегидрогеназ [91], в которых повторяется тип свертывания по Россману (рис. 5.12, б). Правда, эволюционная значимость этого обстоятельства (разд. 9.6) невелика, поскольку такое свертывание является энергетически предпочтительным элементом сверхвторичной структуры (разд. 5.2). Аналогичные случаи малой эволюционной значимости представляют структурные повторения внутри каждого из цилиндров сериновых протеаз (рис. 5.17, г), а также структурные повторения в триозофосфатизомеразе (рис. 5.17, д).
Гипотеза о происхождении всех белков от олигопептидов досих пор не подтверждена. Наблюдающиеся структурные повторения привели к гипотезе [591], согласно которой все белки появились в результате генных дупликаций и слияний более коротких сегментов, состоящих приблизительно из 15 остатков. Однако эта гипотеза не была подтверждена при статистической обработке аминокислотных последовательностей 50 глобулярных белков [587]. Анализ трехмерных структур также мало способствует решению этого вопроса. В этом случае короткие повторения невозможно выявить, поскольку число возможных способов свертывания таких коротких участков цепи мало. В связи с этим любое структурнеe совпадение имеет довольно низкую значимость (разд. 9.6). Число возможностей увеличивается, если сравнивать точные значения двугранных углов в основной цепи, а не только общий ход цепей. Однако эти углы не сохраняются точно неизменными в процессе эволюции.
В некоторых белках встречаются многократные повторения коротких последовательностей. Повторения коротких последовательностей обнаружены в так называемых периодических белках [145, 593], к которым относятся коллаген, кератин шерсти, гистоны, тропомиозин, липопротеин Аl человека и понижающий точку замерзания гликопротеин антарктической рыбы. Для последнего белка повторяющимся звеном во всей последовательности является Аlа-Thr-Thr. В некоторых случаях периодичность может отражать специфические особенности соответствующей ДНК [593]; в других случаях структурные особенности (образование тройной спирали коллагена, показанной на рис. 5.6, характерное присоединение тропомиозина к нитевидному актину и гистона к двойной спирали ДНК) могли возникнуть под воздействием отбора.