Эволюционный анализ ферментов преобразования энергии в клетке

АТФ-синтаза — единственный известный фермент, способный использовать электрохимический потенциал ионов Na⁺ или H⁺ на мембране для синтеза молекул АТФ. При этом не все субъединицы данного фермента являются гомологичными в разных его версиях и поэтому вопрос об эволюционной истории фермента является дискуссионным. Исследования эволюции этого фермента (Mulkidjanian et al., 2007) и сравнительный структурный и филогенетический анализ показали, что сайт связывания натрия из пяти остатков в мембранных c/K-субъединицах ферментов бактериального и архейного типов гомологичен и присутствовал в предковой форме этого фермента, а значит предковый фермент был натриевым (Mulkidjanian et al., 2008). Мы описали новое подсемейство N-АТФаз, распространяемых путем горизонтального переноса и занимающее базальное положение на филогенетическом дереве АТФ-синтаз F-типа, то есть предположительно являющееся эволюционно ранним (Dibrova et al., 2010).

Современные клеточные мембраны имеют сложную структуру, а биохимический синтез их липидных компонентов включает множество стадий, многие из которых принципиально различаются у бактерий и архей — соответственно, различаются и сами липиды. Мембраны последнего общего предка клеточных форм жизни (LUCA), и тем более примитивные мембраны первых клеток, вероятно, не могли быть достаточно прочными, чтобы поддерживать протонный трансмембранный потенциал (Mulkidjanian et al., 2009). В результате филогеномного анализа ферментов, отвечающих за биосинтез жирных кислот и их β-окисление мы пришли к выводу, что распространенные представления о древности этих процессов не соответствуют действительности (Dibrova et al., 2014). Вопрос о мембранах LUCA остается открытым.

Основываясь на фундаментальном свойстве живых клеток поддерживать сильно неравновесные со внешней средой концентрации ионов K⁺ и Na⁺ внутри клетки (т.е. иметь внутри соотношение K⁺  >>  Na⁺, в то время как во внешней водной среде даже в пресной воде соотношение обратное), мы предположили что жизнь могла появиться в воображаемом «маленьком теплом пруду» Чарльза Дарвина, на бескислородных наземных геотермальных полях (Mulkidjanian et al., 2012). Помимо преобладания концентрации K⁺ над Na⁺, предлагаемая нами «колыбель жизни» содержит подходящие концентрации других ионов, в частности цинка, что соответствует ранним гипотезам о важности цинка для ранней эволюции живого (Mulkidjanian et al., 2009; Mulkidjanian and Galperin, 2009; Mulkidjanian and Galperin, 2010). Расположение на поверхности земли, под действием солнечного света, также соответствует представлениям об устойчивости к ультрафиолетовому излучению как о важном эволюционном факторе на самых ранних этапах предбиологической эволюции (Mulkidjanian et al., 2003). Мы предполагаем, что с эволюционной точки зрения ферменты мембранной энергетики могли возникнуть из систем поддержания натрий-калиевого гомеостаза, которые в свою очередь возникли в результате выхода из «колыбели жизни» в пресную, а потом и в соленую воду из-за необходимости поддержания именно такого соотношения ионов калия и натрия, витального для базовых универсальных биохимических процессов в клетке, особенно для синтеза белка (Dibrova et al., 2015).

Цитохромный bc-комплекс является широко распространенным ферментом, осуществляющим генерацию протонного трансмембранного потенциала за счет окисления хинола до хинона. В отличие от многих других энергопреобразующих комплексов данный фермент является строго протонным в силу механизма его работы по принципу «митчеловской петли». Ранее некоторые ученые предполагали, что данный фермент является эволюционно древним и может быть датирован еще временем последнего общего предка клеточных форм жизни (LUCA), однако наличие такого протонного фермента у LUCA противоречит нашим гипотезам о неспособности LUCA поддерживать протонный потенциал на мембране. Мы провели филогеномный анализ данного фермента и показали, что его филогенетическое дерево лучше объясняется с точки зрения горизонтального переноса от бактерий к археям (Dibrova et. al., 2013; Dibrova et al., 2017).

Разрабатываемые в нашей лаборатории инструменты в основном имеют прикладное значение и направлены на облегчение анализа большого объема данных путем визуализации их в удобном виде или на упрощение выполнения рутинных задач.

АТФазы и ГТФазы, содержащие P-петлю (P-loop), очень широко распространены во всех группах живых организмов, это суперсемейство содержит порядка 200 разных белковых семейств, к которым принадлежат в том числе каталитические субъединицы роторных АТФ-синтаз, ДНК- и РНК-хеликазы, кинезины и миозины, ABC-транспортеры, трансляционные факторы, G-белки; в клетке может быть порядка 20% генов, кодирующих те или иные АТФазы и ГТФазы. Однако до сих пор нет единого понимания механизм катализа гидролиза нуклеотидтрифосфата. Совместно с коллегами был проведен масштабный сравнительно-структурный анализ каталитического сайта АТФаз и ГТФаз, содержащих P-петлю), в котором было задействовано более 3100 структур (Kozlova et al., 2022a; Kozlova et al., 2023b). Было предложено объяснение каталитического механизма этих ферментов, которое включает как процесс активации за счет введения в активный сайт положительно заряженных остатков (так называемых «лизиновых/аргининовых пальцев»), так и процесс активации молекулы воды для нуклеофильной атаки на γ-фосфат нуклеотидтрифосфата за счет консервативных остатков мотивов Walker A и Walker B (серина/треонина и аспартата), которые в свою очередь составляют инвариант в обширном суперсемействе АТФаз и ГТФаз, содержащих P-петлю.