В эволюционной «гонке вооружений» небольшие изменения могут дать значительные преимущества. Ученые обнаружили, что предок гена, участвующего в синтезе средств химической защиты растений семейства крестоцветных, таких как рапс, первоначально имел совершенно другую функцию, играя роль в образовании аминокислоты лейцина. Небольшие изменения в структуре фермента позволили ему взять на себя решение других задач, повысив выживаемость этих растений.

Растения постоянно подвергаются атакам со стороны травоядных животных. Чтобы защитить себя, они развили сложные химические механизмы. Растения семейства крестоцветных, такие как Arabidopsis thaliana, вырабатывают для этого глюкозинолаты (глюкозиды горчичного масла). Ученым известно много различных видов этих молекул; они имеют аналогичную структуру, но разные боковые цепи. Если на растениях горчицы кормятся личинки насекомых, глюкозинолаты гидролизуются, образуя токсичные изотиоцианаты. Химики называют их «бомбой из горчичного масла».

За синтез различных боковых цепей разных глюкозинолатов отвечают специальные ферменты. Ученые из Института химической экологии Макса Планка (Max Planck Institute for Chemical Ecology) в Йене выделили один из таких ферментов из Arabidopsis thaliana и обнаружили удивительную вещь. Ян-Виллем де Кракер (Jan-Willem de Kraker) и Джонатан Гершензон (Jonathan Gershenzon) сообщают, что фермент метилтиоалкилмалат-синтаза (methylthioalkylmalate synthase, MAM), катализирующий образование глюкозинолата, очень напоминает другой фермент с совершенно иной функцией. Фермент изопропилмалат-синтаза (isopropylmalate synthase, IPMS) участвует в синтезе аминокислоты лейцина. Однако ученые обнаружили два серьезных структурных различия между МАМ и IPMS: в МАМ отсутствуют последние 120 аминокислот, и в активном центре фермента заменены две аминокислоты.

Кодирующие IPMS гены присутствуют в геномах эубактерий, архебактерий, водорослей и высших растений, но не животных. Поэтому люди должны получать лейцин как незаменимую аминокислоту с пищей. В модельном растении Arabidopsis thaliana IPMS состоит из цепочки из 631 аминокислоты. В ферментах такие аминокислотные цепочки, называемые полипептидами, не являются прямыми. В зависимости от последовательности соответствующих аминокислот цепочки свернуты в спирали, листы и другие формы, необходимые для выполнения их биологической функции. Так, функцией IPMS является связывание 2-оксоизовалерата и ацетил-КоА и, таким образом, синтез предшественников лейцина.

Растения семейства крестоцветных, такие как капуста, вырабатывают глюкозинолаты, помогающие им противостоять растительноядным насекомым. В фотографию вставлена трехмерная модель фермента IPMS, который принимает участие в выработке не глюкозинолатов, а аминокислоты лейцина. В процессе эволюции фермент IPMS превратился в МАМ: исчезли 120 аминокислот, представленных на рисунке более бледным цветом, а в активном центре произошли две мутации. С тех пор функцией МАМ стал синтез предшественников глюкозинолатов.
(Credit: MPI for Chemical Ecology/A. Schneider; enzyme model based on Koon, PNAS 101, 2004)

Чтобы убедиться в том, что опосредованный ферментом катализ не происходит в клетке бесконтрольно, многие ферменты регулируются механизмом обратной связи. В IPMS этот механизм находится в последних 120 аминокислотах полипептидной цепочки. Здесь фермент получает сигнал из клетки и, как только количество лейцина становится достаточным, останавливает продукцию его предшественников. Отсутствующие 120 аминокислот не только инактивируют регуляцию активности фермента, но и полностью изменяют структуру МАМ.

Исчезнувшие 120 аминокислот вызывают глубокое изменение в активном центре фермента: он расширяется и становится способным связывать больше субстрата, а, значит, и вырабатывать совершенно другие продукты. Поэтому МАМ синтезирует предшественники глюкозинолатов, а не лейцина.

Ученые столкнулись с IPMS, когда искали гены, вовлеченные в синтез глюкозинолатов. В контексте этих исследований они выделили и секвенировали ген IPMS. Они предполагают, что в процессе дупликации ДНК-последовательности IPMS миллионы лет назад «близнецовая ДНК» потеряла фрагмент, кодирующий последовательность из 120 последних аминокислот. Это, вероятно, произошло при зарождении семейства крестоцветных. Потеря этих аминокислот обернулась преимуществом для растений: она позволила им вырабатывать глюкозинолаты как средство защиты от травоядных. В процессе дальнейшей эволюции произошли отдельные мутации в активном центре возникающего фермента МАМ, что ускорило синтез глюкозинолатов благодаря лучшему связыванию субстратов.

Эти предположения могут быть подтверждены в ходе экспериментов in vitro, проводимых сейчас Кракером и Гершензоном. Путь возникновения МАМ, вероятно, типичен для появления новых фенотипов из различной генетической информации, закодированной и хранящейся в ДНК. Это еще один пример того, как небольшие изменения могут привести к новым видам оружия в эволюционной гонке вооружений между растениями и травоядными.

Аннотация к статье From Amino Acid to Glucosinolate Biosynthesis: Protein Sequence Changes in the Evolution of Methylthioalkylmalate Synthase in Arabidopsis