Принципы структурной организации белков - Г. Шульц 1982

Эволюция белков
Филогенез на основе структур белков
Белки, удобные для филогенетических исследований

Каждое положение остатка в цепи — это ее независимый признак с 20 различными характеристиками. Для определения филогенетической взаимосвязи необходимо выявить независимые признаки и затем провести количественное сопоставление соответствующих признаков. Поэтому при анализе специализации белков для установления филогенетических связей нужно вначале определить, какие признаки белковых структур могут считаться независимыми признаками. Наиболее подходящими для этого, по-видимому, являются последовательно расположенные аминокислотные остатки в первичной структуре белка. Именно они при сравнении любых белков дают наибольшее число признаков, т. е. число положений остатков. Каждое положение может быть в принципе занято любой из 20 стандартных аминокислот, т. е. каждый признак имеет 20 потенциальных отличительных характеристик. Хотя эти признаки явно зависят друг от друга в отношении отдельных мутаций (правило консервативных изменений, табл. 9.2), данные, приведенные на рис. 9.1, и многочисленные анализы аминокислотных последовательностей [145] свидетельствуют о том, что в первом приближении такие признаки можно считать независимыми, поскольку рассматривается большое число мутаций.

Большинству требований филогенетических исследований соответствует цитохром с. В принципе для таких исследований можно использовать многие белки, однако наиболее удобным в этом аспекте оказался митохондриальный цитохром с (рис. 7.8), что было впервые продемонстрировано работами Смита, Марголиаша и Фича [502— 506]. Критерии таких исследований и свойства цитохрома с, определившие выбор именно этого белка, перечислены ниже в пунктах а — д.

а) Однозначность пути гена в процессе гволюции. Построение филогенетического дерева основано на предположении, что рассматриваемый характер (признак) передается от предка к потомку и что другие пути отсутствуют. Перенос структурных генов от данного вида к неродственным видам, выполняемый, например, с помощью вирусов в качестве переносчиков, делает бесполезным сопоставление белков как средство установления филогенетической взаимосвязи. До сих пор явления межгенетического переноса гена для структурных генов в эукариотах не наблюдалось. Однако оно обычно для бактерий [507, 508], что означает невозможность установления филогенетического дерева для прокариотов на основе структурных сопоставлений белков.

б) Единственность гена, кодирующего белок. В гаплоидном геноме каждого эукариотического организма имеется только один ген цитохрома с (пищевые дрожжи — единственное известное исключение из этого правила) [509]. Присутствие в организме нескольких изофункциональных гомологичных белков усложнило бы выяснение взаимосвязи между генетически отдаленными организмами, поскольку в этом случае было бы неизвестно, какие белки нужно сравнивать. Изофункциональные белки часто встречаются на разных онтогенетических стадиях организма, как, например, у-, ε- и ξ- цепи гемоглобина приматов, в норме не развивающиеся в периоде внеутробной жизни. Для популяций или видов, которые используют эти типы цепей во «взрослой» жизни [510], было бы невозможно установить правильные связи по филогенетическому дереву, построенному по а- и ß-цепям НLА, гемоглобина, который в норме образуется у взрослых особей [145]. Следует также учитывать принцип Гарстен- га [511], согласно которому эволюция часто включает личиночные, а не взрослые формы; эволюционный путь киназ гуанидина можно проследить, только если следовать этому принципу [512]. Отметим, что правило Геккеля (онтогенез отражает филогенез) до сих пор не получило подтверждения на белковом уровне.

в) Одинаковая роль белка во всех сравниваемых организмах. Согласно имеющимся данным, все обнаруженные до сих пор цитохромы с-типа, выделенные из митохондрий, выполняют одну и ту же биологическую функцию.

г) Распространенность белка. Цитохром с найден во всех таксонах, для которых рассматриваются ответвления филогенетического дерева.

д) Простота анализа аминокислотной последовательности. Простота получения белка и длина цепи приблизительно в 110 аминокислотных остатков, содержащая достаточное число признаков, но еще сравнительно легко поддающаяся анализу аминокислотной последовательности — именно эти факторы в значительной мере определили выбор цитохрома с.