고대 단백질에 대한 실험에서 한 번 생각했던 것보다 더 많고 미묘한 돌연변 이 발견

시속 50마일 이상의 속도로 포고스틱을 할 수 있으며 한 번에 30피트 이상을 도약할 수 있습니다. 그러나 그 플래티넘 메달 운동 능력은 사하라 사막 이남의 강변에서 길가에 떨어졌습니다. 100도 열에서 술을 마시기 위해 몸을 가누는 겁쟁이 임팔라의 삶과 죽음의 원천입니다. 나일 악어는 지난 한 시간 동안 같은 진흙탕 강에서 조용히 세례를 받았습니다. 보이지 않는 정점 포식자가 임팔라를 잡으려고 물에서 채찍질을 할 때, 그 악명 높은 이빨이 뒷다리에 달라붙어 5,000파운드의 힘으로 턱을 꽉 물었습니다. 그러나 심호흡을 하는 파충류가 먹이를 깊은 곳으로 끌고 가서 익사시키는 것은 물 자체입니다.

악어 매복의 성공은 나노 크기의 스쿠버 탱크(헤모글로빈)에 달려 있습니다. 헤모글로빈은 혈류를 통해 폐에서 조직으로 산소를 느리지만 꾸준한 클립으로 배출하여 공기 없이 몇 시간을 지낼 수 있도록 합니다. 특화된 헤모글로빈의 초효율성으로 인해 일부 생물학자들은 왜 전 세계의 모든 턱이 있는 척추동물 중에서 악어가 호흡을 최대한 활용하기 위한 최적의 솔루션을 강타한 유일한 그룹인지 궁금해했습니다.

모든 악어와 새의 2억 4천만년 된 조상인 지배파충류의 헤모글로빈을 통계적으로 재구성하고 실험적으로 부활시킴으로써 네브래스카-링컨 대학의 Jay Storz와 동료들은 그 이유에 대한 새로운 통찰력을 얻었습니다. 이전 연구에서 제안한 것처럼 단지 몇 가지 주요 돌연변이가 필요한 것이 아니라 악어 헤모글로빈의 고유한 특성은 적혈구의 복잡한 구성 요소를 뒤덮는 21개의 상호 연결된 돌연변이에서 비롯되었습니다.

그 복잡성과 하나의 돌연변이가 헤모글로빈에서 유도할 수 있는 여러 연쇄 반응은 진화 경로를 너무 미로처럼 만들었기 때문에 자연이 수천만 년이 지나도 그것을 되돌리지 못했을 것이라고 연구자들은 말했습니다.

네브래스카의 생물학과 윌라 캐더 교수이자 이 연구의 수석 저자인 Storz는 “만약 그렇게 쉬운 속임수라면, 단지 몇 가지만 변경하면 누구나 그렇게 할 것”이라고 말했습니다. .

모든 헤모글로빈은 혈류를 헤엄치기 전에 폐의 산소와 결합하여 결국 산소에 의존하는 조직으로 산소를 방출합니다. 대부분의 척추동물에서 헤모글로빈의 산소 포획 및 보유 친화력은 주로 유기 인산염으로 알려진 분자에 의해 결정되며, 이 분자는 헤모글로빈에 달라붙어 귀중한 화물을 방출하도록 유도할 수 있습니다.

그러나 악어(악어, 악어 및 그 동족)에서 유기 인산염의 역할은 이산화탄소 분해로 생성되는 중탄산염 분자로 대체되었습니다. 열심히 일하는 조직은 많은 양의 이산화탄소를 생성하기 때문에 간접적으로 많은 양의 중탄산염을 생성하여 헤모글로빈이 산소를 가장 필요로 하는 조직에 공급하도록 합니다.

Storz는 “악어가 내장 산소 저장소를 효율적으로 이용할 수 있도록 하는 일종의 느린 방출 메커니즘을 제공하는 매우 효율적인 시스템”이라고 말했습니다. “그들이 그렇게 오랫동안 수중에 머물 수 있는 이유 중 하나입니다.”

Storz 연구실의 박사후 연구원으로서 Chandrasekhar Natarajan, Tony Signore 및 Naim Bautista는 이미 악어 헤모글로빈의 작용을 해독하는 데 도움을 주었습니다. 덴마크, 캐나다, 미국 및 일본의 동료들과 함께 Storz의 팀은 산소 운반선의 경이로움이 어떻게 탄생했는지에 대한 종합 연구에 착수하기로 결정했습니다.

그 진화를 이해하기 위한 이전의 노력에는 알려진 돌연변이를 인간 헤모글로빈에 통합하고 일반적으로 부족했던 기능적 변화를 찾는 것이 포함되었습니다. 자신의 연구실에서 최근에 발견한 결과에 따르면 Storz는 접근 방식에 결함이 있다고 확신했습니다. 결국 인간의 헤모글로빈과 현대 악어가 진화한 고대 파충류 생물의 헤모글로빈 사이에는 많은 차이가 있었습니다.

“중요한 것은 돌연변이가 실제로 진화한 유전적 배경에 미치는 영향을 이해하는 것입니다. 즉, 현대 종의 단백질 간의 수평적 비교가 아니라 조상 단백질과 후손 단백질 간의 수직적 비교를 의미합니다.”라고 Storz는 말했습니다. “그 접근법을 사용하면 실제로 무슨 일이 일어났는지 알아낼 수 있습니다.”

그래서 생화학적 원리와 통계의 도움으로 연구팀은 세 가지 출처에서 헤모글로빈 청사진을 재구성하기 시작했습니다. 모든 새의 마지막 공통조상; 현대 악어의 8천만년 된 공통 조상. 연구팀은 부활한 헤모글로빈 3개를 모두 연구실에서 실험한 결과 악어 직계 조상의 헤모글로빈만 인산염 결합이 없고 중탄산염 민감성을 자랑한다는 사실을 확인했다.

지배파충류와 악어 조상의 헤모글로빈 청사진을 비교하는 것은 또한 중요한 것으로 판명되었을 수 있는 아미노산(본질적으로 헤모글로빈 골격의 관절)의 변화를 식별하는 데 도움이 되었습니다. 이러한 돌연변이를 테스트하기 위해 Storz와 그의 동료들은 조상 지배파충류 헤모글로빈에 특정 악어 특유의 돌연변이를 도입하기 시작했습니다. 지배파충류의 헤모글로빈이 현대의 악어처럼 행동하게 만든 돌연변이를 확인함으로써, 팀은 이러한 독특한 악어 특유의 특성에 책임이 있는 변화를 함께 모았습니다.

기존의 통념과는 달리 Storz와 그의 동료들은 중탄산염과 인산염에 대한 헤모글로빈의 반응성에서 진화된 변화가 서로 다른 돌연변이 세트에 의해 구동되어 한 메커니즘의 획득이 다른 메커니즘의 손실에 의존하지 않는다는 것을 발견했습니다. 그들의 비교는 또한 몇 가지 돌연변이가 인산염 결합 부위를 빼기에 충분했지만 인산염 감수성을 모두 없애기 위해서는 다른 여러 돌연변이가 필요하다는 것을 보여주었습니다. 거의 같은 방식으로 두 가지 돌연변이가 중탄산염 민감성의 출현을 직접적으로 주도하는 것처럼 보였지만 헤모글로빈의 멀리 떨어진 영역에서 놓치기 쉬운 다른 돌연변이와 결합하거나 선행할 때만 가능했습니다.

Storz는 이 발견이 돌연변이의 조합이 개별 효과의 합을 초월하는 기능적 변화를 가져올 수 있다는 사실을 말해준다고 말했습니다. 그 자체로는 아무런 기능적 영향을 미치지 않는 돌연변이는 여러 가지 방법으로 명확하고 직접적인 결과를 가져오는 다른 돌연변이의 길을 열 수 있습니다. 같은 맥락에서 적절한 단계를 설정하는 전임자가 이미 자리를 잡고 있지 않으면 이후의 돌연변이가 거의 영향을 미치지 않을 수 있다고 그는 말했습니다. 그리고 이러한 모든 요소는 그들이 전개되는 환경에 의해 과급되거나 방해받을 수 있습니다.

“이러한 복잡한 상호 작용이 있을 때 특정 진화 솔루션은 특정 조상 시작점에서만 액세스할 수 있음을 시사합니다.”라고 Storz는 말했습니다. “선조의 지배파충류 헤모글로빈과 함께 현대 악어의 헤모글로빈에서 볼 수 있는 독특한 특성을 진화시킬 수 있는 유전적 배경이 있습니다. 대조적으로 포유류의 조상을 출발점으로 하여 동일한 속성을 진화시킬 수 있는 방법이 있지만 완전히 다른 구조적 맥락에서 작업하고 있기 때문에 완전히 다른 분자 메커니즘을 거쳐야 합니다.”

좋든 나쁘든 이 연구는 또한 악어의 성능을 모방하고 접근할 수 있는 인간 헤모글로빈을 조작하는 어려움을 설명하는 데 도움이 된다고 Storz는 말했습니다.

“우리는 ‘좋아요, 주로 이 다섯 가지 돌연변이 때문이라고 말할 수는 없습니다. 인간 헤모글로빈을 가져와서 그 돌연변이를 도입하면 짜잔, 우리는 똑같은 특성을 가진 돌연변이를 갖게 될 것입니다. 물속에서도 2시간 동안 머물러야 합니다.'”라고 Storz는 말했습니다. “사실이 아닌 것으로 밝혀졌습니다.

“생명의 나무에는 여기에서 얻을 수 없는 문제가 많이 있습니다.”

Storz, Natarajan 및 Bautista는 현재 매니토바 대학교에 있는 Signore와 함께 연구를 수행했습니다. 오르후스 대학교의 Angela Fago; 미시시피 주립 대학의 Federico Hoffmann; 요코하마 시립 대학의 Jeremy Tame. 연구원들은 저널에 연구 결과를 자세히 설명했습니다. 현재 생물학National Science Foundation 및 National Institutes of Health의 지원을 받고 있습니다.

출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2023/01/230112134747.htm