Исследование проясняет тайну крокодилового гемоглобина

Он может летать со скоростью более 50 миль в час, прыгая на 30 с лишним футов за один прыжок. Но этот платиновый атлетизм отходит на второй план на берегу реки к югу от Сахары, став источником жизни и смерти для пугливой импалы, успокаивающей себя, чтобы выпить при 100-градусной жаре.

Нильский крокодил молча крестил себя в той же мутной реке в течение последнего часа. Когда невидимый высший хищник вырывается из воды, чтобы схватить импалу, его печально известные зубы впиваются в заднюю часть, а челюсти сжимаются с силой в 5000 фунтов. Тем не менее, убивает сама вода, когда глубоко дышащая рептилия тащит свою добычу в глубокий конец, чтобы утонуть.

Успех засады крокодила заключается в наноскопических резервуарах для подводного плавания — гемоглобинах, которые проходят через его кровоток, выгружая кислород из легких в ткани с медленной, но постоянной скоростью, что позволяет ему часами обходиться без воздуха. Сверхэффективность этого специализированного гемоглобина заставила некоторых биологов задаться вопросом, почему из всех челюстных позвоночных во всем мире крокодилы были единственной группой, которая нашла такое оптимальное решение, позволяющее максимально использовать дыхание.

Статистически реконструировав и экспериментально восстановив гемоглобин архозавра, предка всех крокодилов и птиц, которому 240 миллионов лет, Джей Сторц из Университета Небраски и Линкольна и его коллеги почерпнули новое понимание того, почему. Вместо нескольких ключевых мутаций, как предполагалось в более ранних исследованиях, уникальные свойства крокодилового гемоглобина проистекают из 21 взаимосвязанной мутации, которая засоряет сложный компонент эритроцитов.

Исследователи заявили, что эта сложность и множественные побочные эффекты, которые любая мутация может вызвать в гемоглобине, могли создать настолько запутанный эволюционный путь, что природа не смогла проследить его даже за десятки миллионов лет.

«Если бы это был такой простой трюк — если бы это было так легко сделать, просто внеся несколько изменений, — все бы это делали», — сказал Сторц, старший автор исследования и профессор биологических наук Уиллы Катер в Небраске.

Весь гемоглобин связывается с кислородом в легких, прежде чем плыть по кровотоку и в конечном итоге высвобождать этот кислород в ткани, которые от него зависят. У большинства позвоночных способность гемоглобина захватывать и удерживать кислород в значительной степени определяется молекулами, известными как органические фосфаты, которые, присоединяясь к гемоглобину, могут уговорить его высвободить свой драгоценный груз.

Но у крокодилов — крокодилов, аллигаторов и им подобных — роль органических фосфатов была заменена молекулой бикарбоната, которая образуется при распаде углекислого газа. Поскольку трудолюбивые ткани производят много углекислого газа, они также косвенно генерируют много бикарбоната, который, в свою очередь, побуждает гемоглобин распределять свой кислород по тканям, которые больше всего в нем нуждаются.

«Это сверхэффективная система, которая обеспечивает своего рода механизм медленного высвобождения, который позволяет крокодилам эффективно использовать свои бортовые запасы кислорода», — сказал Сторц. «Это одна из причин, по которой они могут так долго оставаться под водой».

Чандрасекар Натараджан, Тони Синьор и Наим Баутиста, работавшие в лаборатории Сторца, уже работали над расшифровкой работы крокодилового гемоглобина. Вместе с коллегами из Дании, Канады, США и Японии команда Сторца решила приступить к междисциплинарному исследованию того, как появилось чудо, переправляющее кислород.

Предыдущие попытки понять его эволюцию включали в себя включение известных мутаций в человеческий гемоглобин и поиск любых функциональных изменений, которые обычно были незначительными. Недавние находки из его собственной лаборатории убедили Сторца в ошибочности этого подхода. В конце концов, между человеческим гемоглобином и гемоглобином древних рептилий, от которых произошли современные крокодилы, было много различий.

«Важно понять влияние мутаций на генетический фон, в котором они фактически развивались, что означает проведение вертикального сравнения между белками предков и потомков, а не горизонтального сравнения между белками современных видов», — сказал Сторц. «Используя такой подход, вы можете понять, что на самом деле произошло».

Итак, с помощью биохимических принципов и статистики команда решила реконструировать чертежи гемоглобина из трех источников: предка архозавра возрастом 240 миллионов лет; последний общий предок всех птиц; и общий предок современных крокодилов возрастом 80 миллионов лет. Проверив все три воскресших гемоглобина в лаборатории, команда подтвердила, что только гемоглобин прямого предка крокодилов не связывал фосфаты и обладал чувствительностью к бикарбонату.

Сравнение чертежей гемоглобина предков архозавров и крокодилов также помогло выявить изменения в аминокислотах — по сути, суставах гемоглобинового скелета, — которые, возможно, оказались важными. Чтобы проверить эти мутации, Сторц и его коллеги начали вводить определенные специфичные для крокодилов мутации в гемоглобин предков архозавра. Выявив мутации, которые сделали гемоглобин архозавра более похожим на гемоглобин современного крокодила, команда собрала воедино изменения, ответственные за эти уникальные, специфичные для крокодила свойства.

Вопреки общепринятому мнению, Сторц и его коллеги обнаружили, что эволюционные изменения в реакции гемоглобина на бикарбонаты и фосфаты были вызваны различными наборами мутаций, так что усиление одного механизма не зависело от потери другого. Их сравнение также показало, что, хотя нескольких мутаций было достаточно, чтобы вычесть сайты связывания фосфатов, необходимо было множество других, чтобы полностью устранить чувствительность к фосфатам. Примерно таким же образом две мутации, по-видимому, напрямую вызывают появление чувствительности к бикарбонату, но только в сочетании с другими мутациями в отдаленных областях гемоглобина или им предшествуют такие мутации, которые легко не заметить.

Сторц сказал, что результаты говорят о том, что комбинация мутаций может привести к функциональным изменениям, которые превосходят сумму их индивидуальных эффектов. Мутация, не производящая никакого функционального эффекта сама по себе, может множеством способов открыть путь другим мутациям с ясными и прямыми последствиями. В том же духе, сказал он, эти более поздние мутации могут мало повлиять без уже существующих надлежащих предустановленных предшественников. И все эти факторы могут быть усилены или подавлены средой, в которой они разворачиваются.

«Когда у вас есть эти сложные взаимодействия, это предполагает, что определенные эволюционные решения доступны только из определенных исходных точек предков», — сказал Сторц. «С гемоглобином предков архозавра у вас есть генетический фон, который позволяет развить уникальные свойства, которые мы наблюдаем в гемоглобинах современных крокодилов. каким-то образом вы могли бы развить то же самое свойство, но это должно было бы происходить с помощью совершенно другого молекулярного механизма, потому что вы работаете в совершенно другом структурном контексте».

Хорошо это или плохо, сказал Сторц, исследование также помогает объяснить сложность разработки человеческого гемоглобина, который может имитировать и приближаться к характеристикам крокодила.

«Мы не можем просто сказать: «Хорошо, это в основном из-за этих пяти мутаций. Если мы возьмем человеческий гемоглобин и просто внесем эти мутации, вуаля, у нас будет гемоглобин с такими же точными свойствами, и мы сможем оставаться под водой в течение двух часов», — сказал Сторц. «Оказывается, это не так.

«В древе жизни есть много проблем, которые невозможно получить оттуда-отсюда».