Войти
Древние белки являются предками современных белков, которые сохранились в виде молекулярных окаменелостей. Определенные структурные особенности, имеющие функциональное значение, особенно связанные с метаболизмом и воспроизводством, часто сохраняются в течение геологического времени. Ранние белки состояли из простых аминокислот, а более сложные аминокислоты образовывались на более поздней стадии в результате биосинтеза. Такие поздно возникающие аминокислоты включают такие молекулы, как: гистадин, фенилаланин, цистеин, метионин, триптофан, и тирозин. Древние ферментные белки выполняли основные метаболические функции и требовали наличия специфических кофакторов. Характеристики и возраст этих белков можно проследить путем сравнения нескольких геномов, распределения конкретных архитектур, аминокислотных последовательностей и сигнатур конкретных продуктов, вызванных определенной ферментативной активностью. Альфа- и бета-белки (α / β ) считаются старейшим классом белков.
Масс-спектрометрия - один из аналитических методов, используемых для определения массы и химического состава пептидов. Реконструкция предковой последовательности происходит посредством сбора и выравнивания гомологичных аминокислотных последовательностей. Эти последовательности должны нести достаточное количество разнообразия, чтобы содержать филогенетические сигналы, которые разрешают эволюционные отношения и позволяют дальнейшее выведение целевого древнего фенотипа. 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 существующих организмов-хозяев. Функциональные возможности и свойства продукта наблюдаются и экспериментально охарактеризованы. Использование большей степени дисперсии репрезентативных мономерных белков повысит общую точность результатов.
В 1955 году, Филипп Абельсон опубликовал небольшую статью, в которой изложил то, что в результате нескольких циклов 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 Hare and Abelson (1968) провели еще один новаторский анализ раковин и обнаружили, что аминокислоты постепенно разрушают или меняют свою внутреннюю L-конфигурацию на D, и что это можно использовать. в качестве инструмента датирования, так называемого датирования аминокислот или аминокислот рацемизации. 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.
Экологические и геологические события, изменившие условия глобальной окружающей среды Земли, повлияли на эволюцию структуры белка. Большое событие окисления, вызванное развитием фототрофных организмов, таких как цианобактерии, привело к увеличению количества кислорода во всем мире. Это оказывает давление на различные группы анаэробных прокариот, изменяя микробное разнообразие и глобальный метаболом, а также изменяя ферментные субстраты и кинетика.
Некоторые области белков более склонны к быстрым эволюционным изменениям, в то время как другие необычно терпимы. Основные гены - или последовательности генетического материала, ответственные за архитектуру, структуру каталитических металлических кофакторов или взаимодействие, - претерпят незначительные изменения по сравнению с остальным генетическим материалом. Части этого материала будут сталкиваться с генетическими мутациями, 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 сходными последовательностями служили совершенно другим целям.
Джозеф Торнтон, биолог-эволюционист, исследовали стероидные гормоны и их связывающие рецепторы, чтобы составить карту их эволюционных взаимоотношений. 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. Дополнительные исследования, проведенные другими исследовательскими группами, указывают на эволюционное развитие большей специфичности белка с течением времени. Родовым организмам требовались белки - в основном ферменты - способные катализировать широкий спектр биохимических реакций, чтобы выжить с ограниченным протеостомом. Субфункционализация и дупликация генов в многофункциональных и беспорядочных белках привели к разработке более простых молекул, способных выполнять более специфические задачи. Однако не все исследования совпадают. Некоторые результаты предполагают эволюционные тенденции через менее специфические промежуточные соединения или молекулы, несущие два состояния высокой специфичности или пониженную специфичность в целом.
Вторая очевидная эволюционная тенденция - глобальный переход от термостабильности на мезофильные белковые линии. Температура, при которой плавятся различные древние белки, коррелировала с оптимальной температурой роста вымерших или существующих организмов. Более высокие температуры Докембрия повлияли на оптимальные температуры роста. Более высокая термостабильность белковых структур способствовала их выживанию в более критических условиях. Неоднородная среда, нейтральный дрейф, 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 изменяющихся условиях окружающей среды.
Некоторые предковые белки следовали альтернативным эволюционным путям 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 предковые последовательности стали сверхстабилизированными и оказались неспособными к конформационным изменениям в ответ на сдвиг внешних стимулов.
Палеопротеомика - это неологизм, используемый для описания применения основанных на масс-спектрометрии (МС) подходов к изучению древних протеомов. Как и палеогеномика (изучение древней ДНК, аДНК), она пересекается с эволюционной биологией, археологией и антропологией, с областями применения от филогенетическая реконструкция вымерших видов к исследованию рациона человека в прошлом и древних болезней.
Зооархеология использует масс-спектрометрию и анализ белков для определения эволюционной взаимосвязи между различными видами животных из-за различий в белковой массе, например, коллагена. Такие методы, как протеомика дробовика, позволяют исследователям идентифицировать протеомы и точные последовательности аминокислот в различных типах белков. Эти последовательности можно сравнивать с другими организмами в разных кладах, чтобы определить их эволюционные отношения в рамках филогенетического дерева. Белки также сохраняются в окаменелостях в большей степени, чем ДНК, что позволяет исследователям извлекать белки из эмали зубов животных возрастом 1,8 миллиона лет и минеральных кристаллов яичной скорлупы возрастом 3,8 миллиона лет.
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 предковой последовательности дополнительно раскрывает происхождение метаболизма этанола человека и эволюцию различных видов. Примером этого может быть идентификация и дифференциация денисовских гоминидов от современных Homo sapien sapiens посредством вариантов аминокислот в коллагене, полученном из зубов первого.
Изучение древних белков не только помогло определить эволюционную историю вирусных белков, но и способствовало разработке новых лекарств.
Понимание функции и эволюции белков дает новые методы конструирования и контроля эволюционных путей для создания полезных матриц и побочных продуктов - в частности, белков с высокой термостабильностью и широкой субстратной специфичностью.
Должны быть множественные ограничения, а также возможные источники ошибок. приняты во внимание, и возможные решения или альтернативы предложены. Статистическое построение древних белков не поддается проверке и не будет иметь аминокислотных последовательностей, идентичных предковым белкам. На реконструкцию также могут влиять несколько факторов, включая: мутации; скорость оборота - поскольку виды прокариот более склонны к генетическим изменениям, чем их эукариотические аналоги, что затрудняет определение их протеомного прошлого; распределение аминокислот; и ограниченные ресурсы полностью секвенированных геномов и аминокислотных последовательностей существующих видов. 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 получению неточных филогенетических деревьев из-за притяжения длинных ветвей. 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.
Дополнительные проблемы, связанные с методом реконструкции предковой последовательности (ASR) будет заключаться в лежащей в основе предвзятости в отношении 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, байесовского метода, который включает и усредняет уровень неопределенности - может обеспечить сопоставимую справочную информацию о стабильности предков. Однако этот метод дает плохие реконструкции и может не точно отражать реальные условия.
.
.
.
.
