(последние 10 )
2021-10-13
2021-10-13
2021-10-13
2021-10-13
2021-04-05
2021-04-05
2021-04-05
2021-04-05
2021-04-05
2021-04-05 |
|
|
новость в темах: • МИКРОМИР • Микробиология • ТЕОРИЯ и ПРАКТИКА • Новые знания • Зарубежные
2021-03-09 (№ 46)
В ходе адаптации к теплу или холоду ферменты находят одни и те же решения типовых эволюционных задач
Локализация происходящего и источник в СМИ:
Американские биологи и химики из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Сан-Франциско. Портал «Элементы»
Фрагмент: Американские химики и биологи провели беспрецедентное по масштабу исследование закономерностей эволюции белков на примере адаптации ферментов к высоким и низким температурам. Адаптация к холоду, как правило, требует повышения каталитической активности фермента, а при высокой температуре на первый план выходит проблема стабильности его трехмерной структуры. Как выяснилось, баланс между активностью и стабильностью может определяться одним-единственным аминокислотным остатком в активном центре фермента. Например, если у фермента кетостероид-изомеразы в ключевой позиции №103 стоит аспарагиновая кислота (D103), фермент высокоактивен, но не очень стабилен, а если там находится серин (S103), то все наоборот. Самое интересное, что эти эффекты мало зависят от того, какие аминокислоты стоят во всех остальных позициях (это называют «слабым эпистазом»). В результате получается стандартный и легко проходимый эволюционный путь, доступный организмам с самыми разными версиями кетостероид-изомеразы. И действительно, в ходе адаптации к холоду в разных эволюционных ветвях бактерий много раз независимо закреплялся вариант D103, а в ходе адаптации к теплу — S103. Анализ 2194 типов ферментов (белковых семейств) у 5852 видов бактерий с известными геномами и температурными оптимумами показал, что эти особенности температурной адаптации — важность единичных замен, слабый эпистаз и вездесущие параллелизмы — характерны для многих ферментов.
Земная жизнь в ходе эволюции освоила широкий диапазон температурных условий. Одни организмы сохраняют активность при охлаждении до −15°C, другие выдерживают нагревание до +121°C. Важнейшую роль в температурной адаптации играет эволюционная «настройка» ферментов. Разные температурные условия предъявляют к ним очень разные требования. Высокие температуры грозят денатурацией, а значит, должны способствовать отбору на стабильность пространственной структуры ферментов. При низких температурах химические реакции, необходимые для жизни, замедляются. Поэтому адаптация к холоду, по идее, должна сопровождаться отбором на повышенную каталитическую активность ферментов. Действительно, при умеренных температурах порядка 20–40°C ферменты холодолюбивых микробов часто оказываются более активными, чем соответствующие (ортологичные) ферменты теплолюбивых микроорганизмов. Известно также, что температура, при которой ферменты данного микроба наиболее активны, довольно строго коррелирует с температурой, при которой микроб быстрее всего размножается.
Адаптация к различным температурным условиям — процесс, можно сказать, вездесущий, ведь всем живым существам приходится так или иначе приспосабливаться к определенному диапазону температур. Поэтому на примере температурной адаптации удобно изучать общие закономерности эволюции ферментов. Именно это и попытались сделать биологи и химики из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Сан-Франциско, чья впечатляющая как по объему, так и по содержанию статья появилась 5 марта на сайте журнала Science. Ученые сосредоточились на ферментах бактерий, поскольку именно по бактериям накопилось больше всего необходимых для такого исследования данных: геномных, биохимических и экологических.
Для начала авторы досконально разобрались в механизмах температурной адаптации одного хорошо изученного фермента — кетостероид-изомеразы (ketosteroid isomerase, KSI). Затем они показали, что полученные выводы отчасти приложимы к тысячам других ферментов.
Фермент KSI катализирует изомеризацию двойных связей в молекулах стероидов. Это позволяет многим бактериям использовать стероиды в пищу. Ключевую роль в работе KSI играет так называемая оксианионная дырка (Oxyanion hole), расположенная в активном центре фермента и включающая два аминокислотных остатка (рис. 2, вверху). Обычно это остатки аспарагиновой кислоты в позиции 103 (обозначается как Asp103 или D103) и тирозина в позиции 16 (Tyr16 или Y16). Их задача — образовать водородные связи с одним из атомов кислорода в молекуле субстрата (то есть стероида, который нужно подвергнуть изомеризации).
Ученые сравнили хорошо изученную мезофильную (адаптированную к умеренным температурам порядка 30°C) версию KSI бактерии Pseudomonas putida (mesoKSI) с термофильным вариантом того же фермента (thermoKSI) из бактерии Mycobacterium hassiacum, которая хорошо растет при 65°C. Как и следовало ожидать, thermoKSI оказался более стабильным (устойчивым к нагреванию), а mesoKSI — более активным при умеренных температурах.
Аминокислотные последовательности mesoKSI и thermoKSI совпадают лишь на 33% (рис. 2, внизу), то есть это эволюционно довольно далекие друг от друга белки. Однако их трехмерные структуры, изученные авторами с большой тщательностью (в том числе при помощи рентгеноструктурного анализа), оказались почти одинаковыми (рис. 1, вверху). Это говорит о том, что большинство закрепившихся в ходе эволюции аминокислотных различий, скорее всего, не сильно повлияли на рабочие качества фермента.