От простого к сложному: ученые восстановили эволюцию гемоглобина

Эволюционнная биология — захватывающая область науки, позволяющая определить последовательность появления и процессы развития не только организмов в целом, но и мелких молекулярных структур. Вовлечение компьютерных технологий сделало возможным проведение фундаментальных исследований в этой области.

Чтобы реконструировать эволюцию гемоглобина челюстноротых позвоночных, ученые построили его филогенетическое дерево, основываясь на известных аминокислотных последовательностях родственных белков. Анализ этого дерева позволил проследить основные этапы формирования белка. Было установлено, что предковая форма гемоглобина была мономером, давшим в результате дупликации гена и последующей дивергенции гомодимер, из которого путем дальнейшей дупликации и дивергенции образовались предшественники функциональных субъединиц гемоглобина. Таким образом, гемоглобин возник в результате сочетания двух эволюционных процессов: дупликации генов и дивергенции.

Основываясь на созданном филогенетическом древе и известных аминокислотных последовательностях, ученые восстановили последовательности предковых форм субъединиц гемоглобина: Ancα и Ancβ. Они экспрессировали их в E. coli для детального изучения свойств. При совместной экспресии Ancα и Ancβ проявили способность к сборке гетеротетрамера, аналогичного по свойствам человеческому гемоглобину и состоящего из двух альфа- и двух бета-субъединиц — α₂β₂. При раздельной экспрессии Ancα формировала гомодимеры, Ancβ — гомотетрамеры, что также характерно для субъединиц современного гемоглобина. Таким образом, учитывая время появления предковых форм, ученые выяснили, что гетеротетрамерная структура гемоглобина возникла более 400 миллионов лет назад — раньше, чем общий предок челюстноротых.

Основное биологически важное свойство гемоглобина — транспорт газов. Для определения эволюции функциональной активности гемоглобина проводилась оценка кислородсвязывающих свойств различных предковых форм белка. Было показано, что способность к связыванию кислорода появилась у предков челюстноротых после их отделения от бесчелюстных. С помощью компьютерного моделирования и экспериментов ученые показали, что для превращения предкового мономерного кислородсвязывающего белка в гетеротетрамер достаточно нескольких аминокислотных замен.

Таким образом, в работе показано, что все основные свойства гемоглобина челюстноротых появились миллионы лет назад у их общего предка, вскоре после расхождения челюстноротых и бесчелюстных. Авторы отмечают, что сложные молекулярные структуры могут возникнуть под действием простых генетических механизмов в результате совершенствования существующих биологических свойств.