Эволюция в действии
Известное изречение Феодосия Добжанского гласит: «Ничто в биологии не имеет смысла, кроме
как в свете эволюции». В базе данных кристаллографических структур макромолекул PDB есть
много примеров, наглядно это иллюстрирующих. Бывает, эволюционный процесс затрагивает
тысячелетия - например, сравнивая последовательности гомологичных белков, мы можем составить
подробные родословные родственных организмов. Изучая развитие устойчивости бактерий к
лекарствам, мы можем видеть эволюцию, которая происходит за года, поскольку бактерии
постоянно развивают новые методы уклонения от антибиотиков посредством мутаций и отбора
их существующих систем.
Однако эволюция также может занимать всего несколько дней, что демонстрирует разбираемый
нами ниже пример. Исследователи подвергли культуру ВИЧ-инфицированных клеток ингибитору
протеазы ВИЧ и наблюдали, как все более устойчивые варианты протеазы эволюционировали
в результате мутаций и отбора. Полученный в результате вариант отличается от исходного
заменами по 6 позициям и в 30 раз повышенной устойчивостью к ингибитору. Как это объяснить?
Все ли 6 замен повлияли на наблюдаемый эффект, или какие-то закрепились случайно, а какие-то -
в результате положительного отбора? Если так, то какие именно замены наиболее значимы - и почему?
Давайте разберемся!
На рис. 1 показана протеаза ВИЧ так, как мы бы могли ее видеть в очень точном атомно-силовом
микроскопе, "ощупывающем" поверхности микрообъектов. Как легко заметить, молекула представляет
собой димер. Рассмотрение молекулы с других ракурсов (см. рис. 2 и 3) позволяет понять, что
димер составлен из двух идентичных субъединиц - т.е. протеаза является гомодимером. Между
субъединицами отчетливо видна сквозная полость. Отнесение этого фермента к классу протеаз
означает, что он катализирует реакцию гидролиза пептидной связи. Белки ВИЧ синтезируются
в виде одного непрерывного полипептида и для дальнейшего функционирования должны быть разделены.
Этим и занимается ВИЧ протеаза, а регион полипептида, связь которого разрезается, как раз
должен быть помещен в наблюдаемую нами полость.
Одна из стратегий борьбы с вирусом ВИЧ заключается в подборе молекулы - ингибитора протеазы.
Такая молекула (см. рис. 4-6) связывается в той же полости, где должен связаться пептид, тем
самым занимая его место и не "пуская" его внутрь. В то же время ингибитор не имеет гидролизуемой
пептидной связи и, соответственно, не разрезается протеазой, а остается связанным на долгое время,
выводя тем самым фермент из строя. Однако эта инактивация не терминальна - ингибитор не
взаимодействует с ферментом ковалентно и может покинуть полость. На равновесие между связанной и
несвязанной формой влияет количество и тип благоприятных нековалентных взаимодействий между
аминокислотными остатками белка, формирующими полость, и ингибитором. Потеря любого такого
взаимодействия приведет к сдвигу равновесия в сторону несвязанной формы и, соответственно,
повысит вероятность фермента выполнить свою функцию. Возможно, какие-то из 6 замен именно так
и действуют?
Из шести замен боковые радикалы только двух располагаются вблизи связанного ингибитора (см. рис. 7).
В исходном ферменте это остатки Phe53 и Val81. В силу симметрии всего комплекса эти два остатка,
взятые от разных субъединиц, оказываются близко друг к другу, "зажимая" между собой ингибитор.
В новом устойчивом варианте оба заменены на меньшие по размеру, что нарушает точное соответствие
формы ингибитора форме кармана связывания (см. рис. 8). Это позволяет молекулам воды проникнуть
в образовавшиеся полости. Ингибитор и карман связывания являются гидрофобными, и соседство
с молекулами воды является неблагоприятным и дестабилизирует комплекс. Помимо этого, Phe53
вступал в особое благоприятное нековалентное взаимодействие между ароматическими группами -
Т-стэкинг - которое исчезает при замене его на неароматический лейцин. Описанные эффекты
и приводят к ухудшению эффективности ингибитора в 30 раз.
Подготовлено с использованием материалов с http://pdb101.rcsb.org/motm/241