Научный сотрудник учебно-научного центра "Биоинформатика" ИППИ РАН Мария Логачева приняла участие в международном исследовании, в котором на примере зеленого флуоресцентного белка светящейся медузы Aequorea victoria (GFP) было экспериментально доказано и визуализировано влияние эпистаза на функциональность белка. Результаты работы опубликованы в журнале Nature.
Группой биоинформатиков под руководством Фёдора Кондрашова (Центр геномной регуляции, Барселона) был построен так называемый ландшафт приспособленности зеленого флуоресцентного белка (GFP). Ландшафт приспособленности, или адаптивный ландшафт – своеобразная рельефная карта, на которой отображена зависимость приспособленности вида от генотипа, где пики ландшафта соответствуют генотипам с наивысшими показателями приспособленности. В качестве меры приспособленности в данном исследовании была взята способность белка avGFP к флуоресценции, а генотипы был представлен последовательностями мутантных генов avGFP; полученных путем случайного мутагенеза из одной исходной последовательности и отличающихся от неё одной или несколькими заменами. Измерив уровень флюоресценции многих тысяч производных генотипов GFP, ученые показали, что на качество данной функции влияние имели преимущественно сочетания мутаций, в то время одиночные мутации либо совсем не влияли, либо незначительно ухудшали функцию свечения. Взаимодействие двух и более мутаций называется эпистаз. Он может быть положительный, когда две слабовредные мутации нивелируют действие друг друга; или отрицательный (негативный), когда мутации, наоборот, усиливают действие друга друга. В данном случае ученые в более чем 30% генотипов наблюдали негативный эпистаз.
«Есть такая игра, когда участники кладут по очереди деревянные бруски друг на друга, и проигрывает тот, чей брусок обрушит башню. Процесс эпистаза похож на эту игру, где бруски – это вредные мутации, и тем лучше, чем раньше очередной брусок обрушит башню, не позволив мутациям накопиться» – поясняет участница исследования Мария Логачева. – «Пороговый эффект, при котором погибают только отдельные особи с множественными мутациями, каждая из которых сама по себе слабовредна, что обеспечивается эпистазом – это механизм, позволяющий избежать накопления мутационного груза».
В представленной работе эпистаз впервые был показан на широком спектре экспериментальных данных.
Ранее Федор Кондрашов с сотрудниками разработали модель эволюции белков в долгосрочном масштабе (десятки и сотни миллионов лет). А в данной работе, используя набор ортологов (то есть белков, произошедших от одной предковой последовательности) GFP из других видов, ученые оценили некоторые характеристики для этого набора, в частности, вклад эпистаза в эволюцию этих белков и долю нейтральных замен. Оказалось, что эти характеристики очень хорошо согласуются с теми, которые были показаны на экспериментальных данных по avGFP.
Характеристика ландшафта приспособленности для белка GFP имеет важное значение для фундаментальных исследований в молекулярной эволюции и популяционной генетике, а, кроме того, для дизайна белка: знание того, как те или иные замены и их взаимодействие влияют на функцию белка, позволит избавляться от нежелательных свойств, сохраняя при этом нужные.
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.
| 20.05.2016 | |