Усложнение организации многоклеточных животных привело к усложнению белков, что в свою очередь сделало их менее стабильными. Сеть молекулярных взаимодействий в клетке возникла как компенсаторный механизм, призванный предотвратить тотальное расстройство функций белковых молекул.

Белки нашего организма вступают между собой в бесчисленное множество взаимодействий, образуя молекулярную сеть необычайной сложности. Белковые взаимодействия лежат в основе всех сигнальных путей, управляют активностью генов и влияют на высшую нервную деятельность. Можно только изумляться мудрости эволюции, которая привела к формированию такой молекулярной сети у многоклеточных. Впрочем, как утверждают Ариэль Фернандес из Чикагского университета и Майкл Линч из Университета Индианы (оба — США), как раз с точки зрения эволюции эта сложная сеть белковых взаимодействий могла возникнуть в качестве временной защиты от молекулярной катастрофы, которая неизбежно ждёт нас в будущем.

Рис. 1. Прионная болезнь у мышей. Красным показан неправильно свёрнутый белок, заполняющий нейроны мыши. (Фото NIAID_Flickr).

Исследователи исходили из концепции генетического дрейфа. Как известно, будущее гена зависит от выживаемости его носителей; гены, которые такому выживанию способствуют, сохраняются в поколениях. Но этот дарвиновский механизм выживания самых приспособленных работает только в достаточно больших популяциях.

В малых же правит бал так называемый дрейф генов, когда вероятность проникновения гена в потомство обуславливается скорее простой случайностью, нежели его вкладом в выживаемость особи и вида. Благодаря дрейфу генов различные мутации могут проявить себя и закрепиться в геноме вида. В больших популяциях дрейф генов служит повышению генетического разнообразия; при этом вредные изменения вымываются из генома естественным отбором. В малых популяциях дрейф начинает играть всё бóльшую роль, и не все плохие мутации могут быть вовремя удалены из генома популяции и вида.

Теперь необходимо вспомнить, что такое белковая молекула. Нормальное функционирование всякого белка на 100% определяется правильностью его пространственной укладки. Процесс сворачивания белковой молекулы, или фолдинг, индивидуален для каждого вида белка, но подчиняется некоторым общим закономерностям. В частности, у большинства водорастворимых глобулярных белков (а именно таковыми представлены ферменты и огромная доля сигнальных белков) есть гидрофобные «внутренности» (гидрофобное ядро), спрятанные в свёрнутой молекуле, и гидрофильная оболочка, которая защищает гидрофобное ядро. Нарушение правильной укладки может привести тому, что гидрофобная часть молекулы откроется для воды. Такие молекулы будут искать других гидрофобных «напарников», прилипая ко всему, что может закрыть гидрофобную поверхность.

Белки с нарушенной пространственной укладкой будут слипаться друг с другом, образуя внутри клетки самый обычный нерастворимый осадок. Именно таков механизм развития прионных болезней (скажем, коровьего бешенства); некоторые нейродегенеративные недуги (та же болезнь Альцгеймера), как считается, имеют ту же природу.

Как пишут исследователи в журнале Nature, усложнение организации у многоклеточных на молекулярном уровне привело к появлению белков, которые очень чутко реагируют на мутации и у которых очень легко нарушить пресловутую пространственную укладку. В то же время популяции высших многоклеточных недостаточно велики, чтобы вовремя вымывать из генома такие мутации.

Таким образом, благодаря дрейфу генов у нас постоянно откладываются мутации, нарушающие правильное сворачивание и функционирование белковых молекул.

Таким образом, благодаря дрейфу генов у нас постоянно откладываются мутации, нарушающие правильное сворачивание и функционирование белковых молекул. И вот тогда возник своеобразный «хотфикс»: белки начали взаимодействовать, закрывая друг другу появившиеся из-за мутаций гидрофобные поверхности и сохраняя таким образом свою функциональность. Более того, многие такие взаимодействия задним числом были приняты на вооружение организмами, будучи положены в основу бесчисленных путей передачи сигналов в клетке.

Вот и выходит, что сложнейшая молекулярная сеть у нас с вами не адаптивное приспособление, выпестованное эволюцией, а лишь побочный эффект спасательного механизма, который скомпенсировал неуёмное молекулярное усложнение многоклеточных.

Перспективы, рисуемые авторами исследования, далеко не радужные: мутации продолжают накапливаться, и компенсаторный механизм белковых взаимодействий в итоге исчерпает себя. В то же время, несмотря на солидность статьи, исследователям можно задать ряд вопросов.

1. Сигнальные пути и белковые взаимодействия изобретены отнюдь не многоклеточными — за счёт чего тогда белки решили повзаимодействовать у тех же бактерий и одноклеточных эукариот?
2. Все взаимодействия в клетке отличаются динамизмом, передача сигнала означает, что белки постоянно «слипаются» и «разлипаются». Но если им хорошо в «слипнувшемся» состоянии, зачем им тогда «разлипаться»?
3. И вообще, как тогда белковым молекулам удаётся «выжить» в свободное, так сказать, от работы время? Кроме того, как показала практика, многие белки способны взаимодействовать с другими молекулами только в полуразвёрнутом, полуразобранном состоянии. Так что, возможно, как раз всякие «вредные» мутации в эволюции многоклеточных оказываются очень кстати.