Древний белок - Ancient protein

Древние белки являются предками современных белки которые выживают в виде молекулярных окаменелостей. Некоторые структурные особенности, имеющие функциональное значение, особенно связанные с обменом веществ и воспроизводством, часто сохраняются посредством геологическое время. Ранние белки состояли из простых аминокислоты, при этом более сложные аминокислоты образуются на более поздней стадии через биосинтез. Такие поздно возникающие аминокислоты включали такие молекулы, как: гистадин, фенилаланин, цистеин, метионин, триптофан, и тирозин. Древний ферментативный белки выполняют основные метаболические функции и требуют наличия специфических кофакторы. Характеристики и возраст этих белков можно проследить путем сравнения нескольких геномов, распределения конкретных архитектуры, аминокислотные последовательности и сигнатуры конкретных продуктов, вызванные определенной ферментативной активностью. Альфа- и бета-белки (α / β ) считаются старейшим классом белков.^[1][2]

Масс-спектрометрии один из аналитических методов, используемых для определения массы и химического состава пептиды. Реконструкция наследственной последовательности происходит посредством сбора и выравнивания гомологичный аминокислотные последовательности. Эти последовательности должны иметь достаточное разнообразие, чтобы содержать филогенетический сигналы, которые разрешают эволюционные отношения и позволяют дальнейшее определение целевых древних фенотип. Отсюда можно построить филогенетическое дерево, чтобы проиллюстрировать генетическое сходство между различными аминокислотными последовательностями и общими предками. Затем предковая последовательность выводится и реконструируется с максимальной вероятностью в филогенетическом узле (ах). Оттуда кодирующие гены синтезируются, экспрессируются, очищаются и включаются в геном из сохранившийся организмы-хозяева. Функциональность и свойства продукта наблюдаются и экспериментально охарактеризованы. Использование большей степени дисперсии репрезентативных мономерный белки повысят общую точность результатов.^[1][2]

История

В 1955 г. Филип Абельсон опубликовал короткую статью^[3] в нем излагается то, что благодаря нескольким циклам технических достижений стало областью палеопротеомики или древних исследований белков. Он был первым, кто предположил, что аминокислоты, а следовательно, и белки, присутствовали в ископаемой кости возрастом в миллионы лет, что дало ключ к разгадке эволюции очень ранних форм жизни на нашей планете. Всего несколько лет спустя Хэр и Абельсон (1968) провели еще один новаторский анализ раковин и обнаружили, что аминокислоты деградируют или изменяют свою внутреннюю конфигурацию L в D постепенно с течением времени, и, таким образом, это может быть использовано в качестве инструмента датирования, так называемого датирования аминокислот или аминокислот рацемизация.^[4] Позднее было показано, что такой подход к датированию является очень действенным инструментом для датирования периодов, простирающихся дальше, чем пределы радиоуглерода в ок. 50 000 лет.^[5]

Структура и эволюция

Экологические и геологические события, изменившие условия глобальной окружающей среды Земли, повлияли на эволюцию структуры белков. В Великое окислительное событие, вызванный развитием фототрофный организмы как цианобактерии, привело к увеличению содержания кислорода во всем мире. Это оказало давление на различные группы анаэробный прокариоты, изменяя микробное разнообразие и глобальные метаболом, а также изменяющий фермент субстраты и кинетика.^[1][2]

Некоторые области белков более склонны к быстрым эволюционным изменениям, в то время как другие необычайно терпимы. Основные гены - или последовательности генетического материала, ответственные за архитектуру, структуру белка, каталитический центры связывания или взаимодействия металлических кофакторов - мало изменятся по сравнению с остальным генетическим материалом. Части этого материала будут сталкиваться с генетическими мутации которые влияют на последовательность аминокислот. Эти мутации заложили основу для других мутаций и взаимодействий, которые имели серьезные последствия для структуры и функции белков, в результате чего белки со схожими последовательностями служили совершенно другим целям.^[1][2][6]

Джозеф Торнтон, эволюционный биолог, исследовал стероидный препарат гормоны и их связывающие рецепторы, чтобы отобразить их эволюционные отношения. Он вставил молекулы ДНК, оснащенные реконструированными аминокислотными последовательностями древних белков, в in vitro клетки, чтобы заставить их синтезировать предковые белки. Команда обнаружила, что реконструированный предковый белок способен реконфигурироваться в ответ на несколько гормонов.^[6] Дополнительные исследования, проведенные другими исследовательскими группами, указывают на эволюционное развитие большей специфичности белка с течением времени. Родовым организмам необходимы белки, в основном ферменты, способные катализировать широкий спектр биохимических реакций, чтобы выжить в ограниченном количестве. протеостом. Субфункционализация дупликация генов в многофункциональных и беспорядочных белках привела к разработке более простых молекул, способных выполнять более специфические задачи. Однако не все исследования совпадают. Некоторые результаты предполагают эволюционные тенденции через менее специфичные промежуточные соединения или молекулы, несущие два состояния высокой специфичности или пониженную специфичность в целом.^[7]

Вторая очевидная эволюционная тенденция - это глобальный переход от термостойкость за мезофильный белковые линии. Температура, при которой плавятся различные древние белки, коррелировала с оптимальной температурой роста вымерших или существующих организмов. Более высокие температуры Докембрийский влияет на оптимальные температуры роста. Более высокая термостабильность белковых структур способствовала их выживанию в более критических условиях. Неоднородный Окружающая среда, дрейф нейтрали, случайные адаптации, мутации и эволюция - вот некоторые из факторов, которые повлияли на этот нелинейный переход и вызвали колебания термостабильности. Это привело к развитию альтернативных механизмов выживания в изменчивых условиях окружающей среды.^[7]

Некоторые предковые белки следовали альтернативным эволюционным маршрутам для получения тех же функциональных результатов. У организмов, которые развивались разными путями, выработались белки, выполняющие сходные функции. В некоторых случаях замены одной аминокислоты было достаточно, чтобы обеспечить совершенно новую функцию. Другие наследственные последовательности стали сверхстабилизированными и были неспособны к конформационные изменения в ответ на изменение стимулов окружающей среды.^[6]

Связанные поля

Палеопротеомика

Палеопротеомика^[8] это неологизм, используемый для описания применения масс-спектрометрии (МС) подходы к изучению древних протеомов. Как и в случае с палеогеномикой (изучение древняя ДНК, аДНК), он пересекает эволюционная биология, археология и антропология, с приложениями, начиная от филогенетической реконструкции вымерших видов до исследования рациона человека в прошлом и древних болезней.

Другие поля

Зооархеология использует масс-спектрометрию и анализ белков для определения эволюционных отношений между различными видами животных из-за различий в белковой массе, например коллаген. Такие методы, как протеомика дробовика позволяет исследователям идентифицировать протеомы и точные последовательности аминокислот в различных видах белков. Эти последовательности можно сравнить с другими организмами в разных клады для определения их эволюционных отношений в филогенетическом дереве. Белки также более сохраняются в окаменелостях, чем ДНК, что позволяет исследователям извлекать белки из эмаль зубов животных возрастом 1,8 миллиона лет и минеральных кристаллов яичной скорлупы возрастом 3,8 миллиона лет.^[9]

Приложения и продукты

Комбинированные исследования генома и секвенирования белков позволили ученым дополнительно собрать воедино рассказы об архаичных условиях окружающей среды и прошлых эволюционных отношениях. Исследования термостабильности белковых структур позволяют предсказывать прошлые глобальные температуры. Реконструкция последовательности предков дополнительно раскрывает происхождение человека. метаболизм этанола и эволюция различных видов. Примером этого может быть идентификация и дифференциация Денисовский гоминиды из современных Homo sapien sapiens через варианты аминокислот в коллагене, полученном из зубов первого.^[1][9]

Изучение древних белков не только помогло определить эволюционную историю вирусные белки но способствовал разработке новых лекарств.^[6]

Преимущества и ограничения

Понимание функции и эволюции белков предоставляет новые методы конструирования и управления эволюционными путями для производства полезных матриц и побочных продуктов, в частности белков с высокой термостабильностью и широкой субстратной специфичностью.^[7]

Необходимо учитывать множественные ограничения, а также возможные источники ошибок, а также принимать возможные решения или альтернативы. Статистическое построение древних белков невозможно проверить и не будет иметь аминокислотных последовательностей, идентичных предковым белкам. На реконструкцию также могут влиять несколько факторов, включая: мутации; скорость оборота - поскольку виды прокариот более подвержены генетическим изменениям, чем их эукариотический коллег, что затрудняет определение их протеомного прошлого; распределение аминокислот; и ограниченные ресурсы полностью секвенированных геномов и аминокислотных последовательностей существующих видов.^[1][7] Реконструкция белков предков также предполагает, что определенные гомологичные фенотипы действительно существовали в древних белковых популяциях, тогда как на самом деле полученные данные являются лишь приблизительным консенсусом общего ранее существовавшего разнообразия. Неадекватная таксономическая выборка может привести к неточным филогенетическим деревьям из-за аттракцион длинной ветви.^[1] Белки также могут со временем распадаться на мелкие фрагменты, и в них могут быть включены современные белки, что затрудняет идентификацию или делает ее неточной. И последнее, но не менее важное: окаменелые остатки содержат незначительное количество белков, которые можно использовать для дальнейшего изучения и идентификации, и на самом деле они предоставляют меньше информации об эволюционных паттернах по сравнению с последовательностями генома.^[9]

Дополнительные проблемы, связанные с методом реконструкции наследственной последовательности (ASR), могут заключаться в лежащей в основе предвзятости в термостабильности из-за использования максимальной вероятности при получении данных. Это делает древние белки более стабильными, чем они были на самом деле. Использование альтернативных методов реконструкции - например, Байесовский метод который включает в себя и усредняет уровень неопределенности - может предоставить сопоставимую ссылку относительно наследственной стабильности. Однако этот метод дает плохие реконструкции и может неточно отражать фактические условия.^[7]

Смотрите также

Рекомендации