Тайна крови: эволюцию гемоглобина воссоздали в пробирке

Биологи выяснили происхождение гемоглобина и синтезировали белки, которые были его предками. Оказалось, что поразительная эффективность этого вещества, сделавшая позвоночных господами планеты, возникла благодаря всего двум ключевым мутациям.

Достижение описано в научной статье, опубликованной в журнале Nature.

Великолепная четвёрка

Все современные наземные позвоночные и почти все морские, за исключением жалкой сотни видов, относятся к группе челюстных. Но выделяются они не только челюстями, но и строением гемоглобина. Он невероятно эффективно справляется с переносом кислорода. Несомненно, это стало одним из главных эволюционных козырей челюстных, позволивших им оккупировать верхние уровни всех пищевых цепей на суше и в море.

Гемоглобин челюстных – белок с характером. Его молекула – это комплекс из четырёх субъединиц, каждая из которых, в общем-то, и сама представляет собой полноценную молекулу белка. Таким образом, наш гемоглобин – это белок, состоящий из других белков.

Таких белков два, и обозначаются они греческими буквами α и β. Каждая молекула гемоглобина в нашей крови состоит из двух молекул α-белка (α-субъединиц) и двух молекул β-белка (β-субъединиц).

При этом все четыре субъединицы связывают или высвобождают кислород одновременно. Так что молекула гемоглобина транспортирует живительный газ по принципу "четыре грузовика по цене одного". Ничего удивительного, что организмы с такой щедрой кислородной логистикой добились господствующего положения на земном шаре.

Потомки индивидуалистов

При этом и α-, и β-белок входят в обширное семейство глобинов. Удивительно, но их ближайшие известные "сородичи" по этому семейству совсем не склонны объединятся в комплексы и брать на себя скромную роль субъединиц. Они предпочитают гордое одиночество. В таком случае когда и как они обрели способность к объединению (за что им огромное спасибо от имени всех челюстных)? До сих пор ответа не было.

Между прочим, эта загадка касается не только гемоглобина. Большинство белков представляют собой комплексы из нескольких субъединиц и только благодаря этому могут выполнять свои биологические функции. И совершенно неизвестно, как и когда молекулы-субъединицы научились подобной кооперации.

И, пожалуй, именно с гемоглобина удобнее всего было начать распутывать эту головоломку.

"Структура и функция гемоглобина изучены лучше, чем, возможно, любой другой молекулы. Но ничего не было известно о том, как они возникли в ходе эволюции, – рассказывает первый автор статьи Арвид Пиллаи (Arvind Pillai) из Чикагского университета. – Это отличная модель [для изучения эволюции белков], потому что компоненты гемоглобина являются частью обширного семейства белков, и их самые близкие "родственники" не образуют комплексов, а функционируют в одиночку".

Отзвуки прошлого

Проанализировав структуру разных глобинов, исследователи восстановили их эволюционное древо. Они исходили из того, что все глобины происходят от общего белка-предка. При этом чем больше похожи друг на друга последовательности аминокислот в двух белках, тем позже разошлись их эволюционные пути. А зная, насколько часто происходят мутации, можно установить и когда произошло это ветвление.

Биологи не просто вычислили структуру белков-предков. Они синтезировали эти вещества и изучили их в эксперименте. Здесь авторам опять-таки помог тот факт, что человечество десятилетиями пристально изучало гемоглобин и накопило целый арсенал методов для этого занятия. Он подошёл и для исследования "воскрешенных" молекул.

"Есть отличные лабораторные инструменты для анализа их свойств", – отмечает Пиллаи.

Захватывающая история из жизни белков

У авторов получилась следующая история из жизни белков. Это быль, но, чтобы облегчить участь читателя, расскажем её в тоне сказки.

Жил-был на свете белок, последний общий предок гемоглобина и миоглобина (исследователи назвали его AncMH). И никаких комплексов ни с кем он образовывать не умел и не хотел.

Но однажды он мутировал, и получился из него белок Ancα/β – последний общий предок α- и β-белков гемоглобина. Две молекулы Ancα/β уже умели образовывать пару друг с другом.

Долго ли, коротко ли, но Ancα/β тоже мутировал. И возникло два новых белка: Ancα и Ancβ. И оказалось, что молекула Ancα так нравится молекуле Ancβ, а та настолько отвечает ей взаимностью, что две эти молекулы могут образовать пару.

До гемоглобина остался лишь один шаг. Ancα и Ancβ снова претерпели каждый свою мутацию. После чего из Ancα получился уже α-белок собственной персоной, а из Ancβ – β-белок. А пара, состоящая из одной молекулы α-белка и одной молекулы β-белка, обрела способность объединиться с другой такой же парой.

Так и получилась молекула-четвёрка, поныне снабжающая каждого из нас кислородом (в этом месте все челюстные дружно поаплодировали руками, лапами и плавниками).

Три революции в одной

Удивительно, но две мутации, научившие пары Ancα+Ancβ объединяться в четвёрки, привели к ещё одному животворному изменению.

Молекулы всех предшественников нашего современного гемоглобина, включая Ancα и Ancβ, слишком уж страстно сливались в объятиях с молекулой кислорода и неохотно расставались с ней. Поэтому они плохо выполняли свою функцию по снабжению этим веществом клеток.

Мутации, собравшие четыре белка в один, не заменили ни одной аминокислоты в участке молекулы, который соединяется с кислородом. Но когда четыре молекулы объединились, аминокислотная нить буквально натянулась как верёвка. Участок, связывающий кислород, изменил свою форму. В результате белок умерил свой пыл в отношении O2.

Более того, при этом возникла и та самая склонность всех субъединиц присоединять или отдавать кислород одновременно (очень удачно для каждого из нас).

Происходит этот процесс так. Когда одна субъединица соединяется с молекулой кислорода, натяжение аминокислотной нити ослабевает. "Кислородосвязывающий" участок соседней субъединицы возвращает себе исходную форму. Примерно ту самую, которую он имел в жадной до O2 молекуле Ancα или Ancβ. Поэтому эта субъединица тоже сразу же хватает пролетающий мимо кислород. Потом приходит черёд третьей субъединицы, а затем и четвёртой.

Когда приходит время расставаться с добычей, всё происходит в обратном порядке. Достаточно одной субъединице отдать свою молекулу газа, как аминокислотная нить снова натягивается. Форма связывающего кислород участка ближайшей субъединицы меняется, и она уже не настолько крепко держит молекулу O2. Потом та же участь постигает третью и четвёртую субъединицу.

Так и получается наш замечательный гемоглобин. Его молекула состоит из четырёх субъединиц, присоединяющих или отдающих кислород одновременно. И чувство родства с кислородом у него ровно такое, какое выгодно организму. Он охотно забирает этот газ из лёгких или жабр, но при этом послушно отдаёт его нуждающимся клеткам. И всё благодаря двум простым мутациям, научившим пары молекулы объединяться в четвёрку.

Кстати, произошли они более 400 миллионов лет назад, ещё до того, как разделились эволюционные линии человека и акулы.

Всемогущая случайность

"Мы были поражены, когда увидели, что такой простой механизм может породить такие сложные свойства, – признаётся глава исследовательской группы Джозеф Торнтон (Joseph Thornton) из Чикагского университета. – Это говорит о том, что во время эволюции скачки в сложности могут происходить внезапно и даже случайно, создавая новые молекулярные объекты, которые в конечном итоге становятся необходимыми для нашей биологии".

Традиционный взгляд на эволюцию, восходящий ещё к Дарвину, заключается в том, что новое не возникает сразу. Мутации, ведущие к кардинальным изменениям в организме, конечно, случаются, но они могут быть только вредными. Получится урод, монстр, который не сможет выжить и размножиться.

Живой организм настолько сложен, говорят сторонники этой позиции, что любое крупное изменение нарушит какой-нибудь важный процесс. Изменить живое и при этом оставить его живым можно только в мелочах. Конечно, мелкие изменения постепенно накапливаются, рано или поздно меняя организм до неузнаваемости. Но нужны целые эпохи, чтобы потомок перестал походить на предка.

Между тем восстановленная авторами история гемоглобина убедительно демонстрирует, что иногда ключевые изменения происходят скачком, за одну-две мутации. Кстати, это далеко не единственный пример того, как изменения в небольшом числе генов обеспечивают эволюционные прорывы. Так что, хотя эволюция действительно чаще всего работает через накопление небольших изменений, иногда случаются стремительные революции.

Другой урок этого исследования, пожалуй, в том, насколько нынешний облик всей биосферы определяется произошедшими когда-то случайностями.

"Представьте себе, если эти две мутации никогда не произошли <…>, – фантазирует Торнтон. – Гемоглобин в том виде, в котором мы его знаем, не эволюционировал. А вместе с ним многие последующие инновации, которые требуют эффективного транспорта кислорода, такие как быстрый обмен веществ и способность достигать гораздо больших размеров и двигаться гораздо быстрее, чем наши древние морские предки".

Впрочем, как ни удивительно, ключевые эволюционные прорывы нередко происходят независимо в разных эволюционных линиях. Например, животные и растения стали многоклеточными независимо друг от друга. Так что было бы слишком опрометчиво утверждать, что без этих двух мутаций позвоночные так и остались бы мелкими и медлительными морскими созданиями с неэффективным дыханием. Возможно, случились бы какие-то другие изменения в белках, решившие проблему доставки кислорода. Но, вероятно, жизнь в этом случае была бы совсем не похожа на ту, частью которой мы являемся.

К слову, ранее "Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) рассказывали об эволюционной истории другого ключевого изобретения живых организмов – фотосинтеза.