Вырожденность аминокислотных строк и эпистасис: реальные возможности дарвиновской эволюции

Здесь (обзор статьи здесь) описываются результаты исследования специалистами MIT конкретного белок-белкового взаимодействия на предмет плотности решений в пространстве состояний аминокислотных последовательностей, достижимых в рамках дарвиновской эволюции.


Всего существует 20^N последовательностей длины N аминокислот (будем называть их строками). В одну и ту же позицию данной строки оказывается возможно подставлять разные аминокислоты без потери функции. Эта синонимичность называется еще вырожденностью. Перестановки четырех аминокислотных остатков, важных с точки зрения конкретного исследуемого авторами белок-белкового взаимодействия, теоретически дают 20^4 = 160000 различных последовательностей. Из них, как показал эксперимент, лишь около 1700 функциональны, то есть сохраняют способность вступать в это взаимодействие. 

Далее, несмотря на то, что вырожденность белковых строк допускает множество локальных синонимов, далеко не все они совместимы в глобальном функциональном контексте (так как при этом "ломается" что-то другое). Это обусловлено зависимостью мутаций друг от друга, которая называется эпистасисом. Оказывается, что эпистасис вступает в противоречие с возможностью подстановок. В исследовании указывается, что учет эпистасиса ведет к тому, что из порядка 1700 строк лишь 57 (примерно 3%) представляют собою строки, достижимые дарвиновским ненаправленным поиском. А к оставшимся 97% функциональным строкам нет дарвиновского пути: промежуточные строки невыгодны по Дарвину и будут отфильтрованы естественным отбором. Дарвиновский поиск эти промежуточные строки отбросит, поскольку он не имеет предвидения будущей выгоды: выгода должна быть на каждом шагу. 

К слову, профессор биохимии Майкл Бихи исследовал этот вопрос в книге "Граница эволюции". Он показал, что в ряде случаев для того, чтобы не быть отфильтрованными дарвиновским отбором, нужные в каком-то определенном смысле мутации должны возникать одновременно, а не последовательно, что сильно уменьшает вероятность таких одновременных мутаций. Это и есть статистический барьер, или граница дарвиновской ненаправленной эволюции. По оценкам Бихи, некоторые важные в определенном контексте мутации столь редки, что их одновременность представляет собою статистически неправдоподобное событие в рамках жизни биоты. Наконец, из этих 57 функциональных последовательностей, которые могут быть найдены ненаправленным дарвиновским поиском, фактически лишь 13 могли бы составить конкуренцию изначальной последовательности in situ. 

Итак, 160000 → 1700 → 57 → 13. 

Как видим, учет различных факторов проясняет реальные возможности дарвиновского поиска. Реальность далека от декларируемых теоретических возможностей. 

Литература 

1. Anna I. Podgornaia, Michael T. Laub (2015): Pervasive degeneracy and epistasis in a protein-protein interface, Science, 6 February 2015, Vol. 347 no. 6222 pp. 673-677. DOI: 10.1126/science.1257360