Исследователи из Швейцарии изучали влияние уровня экспрессии белка на его способность развиваться на примере зеленого флуоресцентного белка. Они провели несколько раундов случайного мутагенеза и отобрали штаммы с синей флуоресценцией. Было показано, что снижение экспрессии способствует более быстрому развитию, поскольку предотвращает накопление мутаций с дестабилизирующим эффектом.
Различные белки в организме могут сильно различаться по уровню экспрессии, причем чем сильнее выражен белок, тем более консервативна его последовательность. Теоретически это можно объяснить тем, что более важную роль играют белки с высоким уровнем экспрессии, а их консерватизм объясняется высоким давлением отбора. Однако в статье, опубликованной в журнале Nature Ecology&Evolution, ученые из Швейцарии экспериментально и с помощью математического моделирования продемонстрировали, что уровень экспрессии сам по себе является параметром, существенно влияющим на скорость эволюции белка.
Авторы провели целенаправленный отбор библиотеки мутантов случайного зеленого флуоресцентного белка (GFP) на способность излучать синий (точнее, голубой) свет. Библиотеку мутантов GFP экспрессировали в E. coli под двумя разными промоторами, сильным acp и слабым arg, и 0,05% бактерий-победителей, экспрессирующих синие флуоресцентные белки, отбирали на проточном сортировщике. После сортировки мутантные последовательности GFP секвенировали с помощью одномолекулярного секвенирования в реальном времени (SMRT) на PacBio и повторяли мутагенез выбранных белков. Всего было проведено шесть раундов мутагенеза и селекции, а также четыре повторения эксперимента для каждого из промоторов.
Оказалось, что при низкой экспрессии белок эволюционировал значительно быстрее, чем при высокой экспрессии. Однако в популяции белков с низкой экспрессией было обнаружено меньше несинонимичных замен, а среди белков с высокой экспрессией было больше нефункциональных мутаций, ответственных за изменение цвета флуоресценции. Это означает, что плохо экспрессируемые белки не быстрее накапливают нефункциональные мутации.
Чтобы объяснить это явление, исследователи создали вычислительную модель, в которой приспособленность белка (то есть уровень его флуоресценции) зависит от трех факторов: квантового выхода, стабильности укладки (выражаемой как изменение свободной энергии Гиббса, ?G) и уровня экспрессии. Моделирование процесса показало, что отбор на фоне высокой экспрессии белка будет способствовать накоплению дестабилизирующих мутаций, так как потеря стабильности будет до некоторой степени компенсироваться высокой экспрессией. Это связано с тем, что разброс интенсивности флуоресценции больше именно при высокой экспрессии белка, и поэтому мутанты, отобранные из этой популяции, также будут больше различаться по стабильности. Высокая интенсивность флуоресценции не обязательно означает стабильность структуры белка.
Затем исследователи проверили предсказание экспериментально, изменив схему эксперимента по мутагенезу: теперь трем раундам отбора на голубую флуоресценцию предшествовали три раунда отбора на стабильность. Отбор по стабильности не был строгим и проводился только для исключения 30% наиболее нестабильных вариантов. В результате этого эксперимента эффективность эволюции GFP никак не зависела от силы промотора, под которым он экспрессировался.
Исследователи пришли к выводу, что белки с низкой экспрессией более строго отбираются на стабильность, что способствует их быстрой эволюции. Это может быть общим механизмом, с помощью которого низкая экспрессия помогает белкам приобретать новые свойства в меняющемся мире.
Подписывайтесь на «Гродно 24» в Дзен Новости и на наш канал в Дзен