Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Шрифт:
Большинство прокариот не вовлечены в обычные половые отношения, хотя механизм, известный как «бактериальный секс», конъюгация, досконально описан. Однако конъюгация требует наличия специальной плазмиды (описанной в классических ранних экспериментах Вольмана – Жакоба, Ледерберга и Кавалли – Сфорца как F-фактор) или присутствия в хромосоме так называемых элементов интеграции и конъюгации, которые имеются далеко не у всех прокариот (Bushman, 2001). Среди хорошо изученных в настоящее время бактерий конъюгация известна лишь у меньшинства, а у архей она и вовсе не обнаружена (Frost and Koraimann, 2010; Wozniak and Waldor, 2010). Бактерии, у которых регулярно происходит конъюгация, часто формируют большие популяции и, возможно, виды, похожие на классические виды эукариот. В этих случаях половой процесс избавляет бактерии от мутационной катастрофы. Однако, если конъюгации отсутствуют или очень редки, что, по-видимому, характерно для архей и многих бактерий, единственным способом избежать катастрофических последствий является ГПГ, который в этом случае можно рассматривать как одну из форм «незаконной» (негомологичной) рекомбинации. На больших промежутках времени бесполые популяции (прокариот) могут выжить только в том случае, если они с достаточно высокой частотой получают посредством ГПГ функциональные версии генов, накапливающих вредные мутации (см. рис. 5–7) [54] . Рассмотрение роли ГПГ в эволюции прокариот с популяционно-генетической точки зрения неизбежно ведет к предположению, что отбор действует в направлении поддержания оптимального уровня ГПГ. Эта оптимальная частота ГПГ достаточно высока для предотвращения мутационной катастрофы и обеспечения возможностей для адаптивных инноваций, но в то же время достаточно низка, чтобы избежать
54
Это представление несколько упрощенное, так как существенную роль играет и гомологичная рекомбинация. Однако основной вывод о необходимости замены мутантных генов интактными копиями не подлежит сомнению.
Рис. 5–7. Неизбежность ГПГ: судьба бесполых популяций в случае изоляции и при наличии ГПГ.
Любая бесполая популяция, которая (полностью или почти полностью) изолирована от ГПГ, движется в направлении угасания и последующего вымирания. И это действительно наблюдается у облигатных бактериальных паразитов, особенно тех, что обитают внутри клеток. Внутриклеточные симбионты с самыми маленькими геномами, такие как вышеупомянутая Hodgkinia cicadicola или обладающая геномом чуть большего размера Carsonella rudii, приближаются к статусу органеллы эукариотической клетки своего хозяина или даже уже достигли его (McCutcheon et al., 2009) и почти наверняка уже зашли достаточно далеко на пути в вымиранию. Как это часто бывает, при этом существует конкуренция между глобальным давлением со стороны динамики популяции в целом и локальными адаптациями (шире эта тема будет развернута в гл. 8). Некоторые эндосимбионты насекомых с маленькими, но не самыми крошечными геномами (как правило, около 500 генов), такие как Wolbachia или Wigglesworthia, сохранили определенные метаболические пути, которые снабжают хозяина необходимыми ему метаболитами, в частности аминокислотами (Wu et al., 2006). Эта адаптация может позволить данным организмам поддерживать относительно большой эффективный размер популяции и, следовательно, по крайней мере временно, избежать гибели. Однако в конечном итоге все же представляется правдоподобным, что такие бактерии имеют относительно короткую (в эволюционном масштабе) продолжительность жизни.
Горизонтальный перенос генов, универсальные законы геномики и хорошо перемешанный резервуар прокариотических генов
В предыдущей главе мы обсудили несколько универсальных зависимостей между геномными переменными (законы геномики), в частности обратно пропорциональную зависимость между численностью функциональных классов генов и размером семейств паралогичных генов данного класса. Теперь мы не можем избежать вопроса, как относятся между собой законы геномики и ГПГ, который является столь заметным процессом в мире прокариот. Действительно, сравнительный геномный анализ показывает, что генные семейства прокариот формируются в большей мере за счет ГПГ, чем за счет дупликации генов (Treangen and Rocha, 2011). Большинство генов, которые выделяются как паралогичные при анализе одиночного генома, в действительности являются псевдопаралогами (Makarova et al., 2005). Вне зависимости от пути происхождения распределение размера семейств с высокой точностью воспроизводится моделями рождения, смерти и инноваций (см. рис. 4–7). Единственное объяснение этого соответствия, по всей видимости, заключается в том, что темп рождения и смерти генов в действительности пропорционален не размеру семейства в данном геноме, а размеру семейства в резервуаре генов-доноров. Поскольку степенные распределения размера семейств очень близки для всех геномов, резервуар доноров в действительности означает всю вселенную прокариотических геномов. Другими словами, этот аспект структуры вселенной геномов может быть описан в рамках универсального степенного закона распределения размеров семейств генов (очевидно, это распределение весьма отличается от структуры ядра – оболочки – облака, так как оно относится к обширным семействам паралогичных генов, а не строго определенным группам ортологов).
Та же логика применима и к масштабированию функциональных классов генов (то есть зависимости численности классов от общего числа генов, см. гл. 4). Учитывая, что ГПГ вносит основной вклад в генетический состав прокариотических геномов, (почти) универсальные законы масштабирования требуют, чтобы вселенная геномов прокариот рассматривалась как единый резервуар генов. Теорию эволюции, отражающую центральную роль ГПГ, еще только предстоит разработать в явном виде. Однако универсальность законов масштабирования и изложенные выше качественные соображения заставляют предполагать, что в среднем геномная вселенная прокариот является хорошо перемешанным резервуаром генов. Конечно, существуют существенные локальные неоднородности и «скоростные магистрали» ГПГ (см. гл. 6), но в среднем темп перемешивания генов достаточно высок для того, чтобы обеспечить законы универсального масштабирования.
Характерные геномные профили бактерий и архей с различными стилями жизни и неизоморфное отображение генного и функционального пространств
Одной из самых больших надежд, связанных со сравнительной геномикой, является возможность, по крайней мере в принципе, определить «геномные профили» организмов с резко отличающимися стилями жизни (фенотипами), то есть наборы генов, которые необходимы и достаточны для поддержания этих стилей жизни. В имеющейся в настоящее время и быстро растущей коллекции геномов прокариот различные стили жизни часто представлены множественными, сильно отличающимися геномами – таким образом похоже, что подошло время всерьез начать изучение геномно-фенотипических связей. До сих пор в этом направлении можно констатировать лишь весьма скромный успех. Когда стиль жизни связан с хорошо изученным биохимическим путем, таким как у метаногенов или у фотосинтезирующих организмов, идентификация геномного профиля может быть относительно простой задачей. Но даже в этом случае анализ генов, кодирующих белки, вовлеченные, например, в фотосинтез, демонстрирует сложное переплетение признаков, специфичных для стиля жизни и для конкретного таксона. Наиболее полный набор генов для фотосинтеза был зафиксирован у цианобактерий, в то время как другие группы фотосинтезирующих бактерий обладают различными подмножествами этого набора генов (Mulkidjanian et al., 2006).
Геномные профили более сложных фенотипов, таких как термофили или устойчивость к радиации, оказались намного более неуловимыми. Возможно, наиболее настойчивые попытки были посвящены поиску сигналов термофильной адаптации. Примечательно, что был обнаружен один ген, присутствующий во всех секвенированных геномах гипертермофилов, но полностью отсутствующий у мезофилов, и продукт этого гена – белок, абсолютно необходимый для репликации ДНК при экстремально высоких температурах, обратная гираза (Forterre, 2002). Кроме того, геном умеренного термофила Thermus thermophilus (штамм HB27) содержит псевдоген обратной гиразы, в то время как близкородственный ему штамм HB8 содержит работоспособный ген обратной гиразы, что демонстрирует процесс избавления от обратной гиразы после вероятного перехода от гипертермофильного к умеренно термофильному стилю жизни (Omelchenko et al., 2005). Однако поиск других генов, специфичных для термофилов, принес ограниченные результаты. Иных генов, кроме обратной гиразы, показывающих явную корреляцию их присутствия-отсутствия с (гипер) термофильностью, обнаружено не было; для гипертермофильных архей и бактерий нашлось лишь несколько генов, которые существенно чаще присутствовали в их геномах по сравнению с геномами мезофилов (Makarova et al., 2003). Кроме того, было предпринято много попыток определить характерные признаки фенотипа термофилов на уровне нуклеотидных и белковых последовательностей и структур. Хотя эти исследования выявили несколько признаков, потенциально характерных для белков термофилов, таких как высокая плотность заряда и большее, чем обычно, представительство дисульфидных
История поиска особенностей геномов, коррелирующих с экстремальной устойчивостью к радиации и высыханию, может быть даже более показательна. Некоторые бактерии и археи, лучше всего из которых описана бактерия Deinococcus radiodurans, демонстрируют сопротивляемость экстремальному уровню радиации, что, как считается, является побочным эффектом их адаптации к высыханию. Всесторонний анализ генома D. radiodurans напрямую не выявил никаких уникальных признаков генома или систем репарации ДНК, которые могли бы объяснить исключительную способность этих организмов переносить повреждения, вызываемые радиацией, хотя были идентифицированы гомологи белков растений, использующиеся для повышения сопротивляемости высыханию и в то же время не обнаруженные ни у каких других бактерий (Cox and Battista, 2005; Makarova et al., 2001a). Deinococcus radiodurans является популярной экспериментальной моделью, поэтому для описания реакции этой бактерии на высокие дозы облучения впоследствии были предприняты исследования процессов транскрипции и особенностей состава ее белков. Эти исследования возбудили определенный интерес, так как было зафиксировано существенное увеличение экспрессии некоторых экспериментально не исследованных генов, кодирующих белки с предсказанной ролью в процессах, потенциально связанных с радиационной устойчивостью, таких как репарация двойных разрывов в молекулах ДНК (Liu et al., 2003). Однако нокаут этих генов не повлиял на сопротивляемость радиации, в то время как нокаут нескольких других генов, которые не кодируют никаких известных доменов и не экспрессируются на повышенном уровне при облучении, делал организм чувствительным к радиации (Blasius et al., 2008; Cox and Battista, 2005; Makarova et al., 2007a). Сравнительный анализ двух родственных устойчивых к радиации бактерий D. radiodurans и D. geothermalis не только не смог разрешить проблему геномных особенностей, определяющих устойчивость к радиации, но даже еще более запутал ее (Makarova et al., 2007a). Никаких генов, имеющих явное отношение к сопротивляемости радиации, которые бы были уникальными для этих устойчивых бактерий, открыто не было. Более того, ортологи многих генов D. radiodurans, экспрессия которых усиливается в условиях повышенной радиации, попросту отсутствуют у D. geothermalis. Тщательное сравнение структуры оперонов и предполагаемых регуляторных областей в двух геномах Deinococcus позволило предсказать регулон, ответственный за устойчивость к радиации (Makarova et al., 2007a). Однако роль большинства генов, составляющих этот предсказанный регулон, в обеспечении устойчивости к радиации и высыханию остается невыясненной. Главные свойства генома, определяющие устойчивость к радиации, по-прежнему неуловимы, и растет количество свидетельств, демонстрирующих, что важная роль при этом принадлежит генам, которые повышают устойчивость неожиданными косвенными способами, такими как регулирование внутриклеточной концентрации двухвалентных катионов, оказывающих влияние на степень разрушения белков, вызванного облучением или высыханием (Daly, 2009).
Рис. 5–8. Неизоморфное, многозначное отображение геномного и функционального пространств.
Единственный вывод, который можно сделать в рамках текущего состояния дел по поводу связей между геномом и фенотипом у прокариот, заключается в том, что эти связи являются многогранными, и конкретные наборы генов, ответственных за формирование сложных фенотипов, идентифицировать непросто, несмотря на существование явных генов-сигнатур, связанных с определенными стилями жизни (такими как обратная гираза в случае гипертермофильности). Сложность соотношения геном – фенотип может быть представлена в виде неизоморфного многозначного отображения между геномным и функциональным пространствами прокариот (Koonin and Wolf, 2008b). Каждый ген плейотропен (связан с множеством функций), и каждая функция мультигенна (связана со многими генами; см. рис. 5–8). Мы пришли к этому важному выводу при анализе геномов прокариот, но, без сомнения, он отражает общее правило отсутствия детерминизма при отображении генотип – фенотип (см. гл. 13).
Археи и бактерии в свете сравнительной геномики: как же быть с прокариотами?
Сам термин и концепция прокариот в последнее время ставятся под сомнение как устаревшие и основанные на негативном определении: отсутствии органелл, давших свое имя «высшим» организмам (эукариотам), – ядер (Pace, 2009b, 2006). Вместо представляющегося неадекватным понятия прокариот было решительно предложено классифицировать формы жизни исключительно на базе филогенетического разделения, которое исходно возникло из деревьев рРНК и было подтверждено деревьями нескольких других (почти) универсальных информационных генов (Pace, 2009a). Что касается негативного определения прокариот, то ему было противопоставлено определение, основанное на позитивных признаках, таких как сопряжение транскрипции и трансляции (Martin and Koonin, 2006b) [55] . Каковы бы ни были относительные достоинства этих аргументов, сравнительная геномика пролила свой собственный свет на проблему прокариот. Как обсуждалось в этой главе, между археями и бактериями наблюдается очень небольшая степень сохранения репертуара генов (КОГ) и даже еще меньшая степень сохранения в организации специфических оперонов. Действительно, на эволюционных деревьях, построенных на основе сравнения репертуара генов и консервативных пар соседних генов, разделение между бактериями и археями весьма четкое (Wolf et al., 2002).
55
Это означает, что у прокариот трансляция начинается до завершения транскрипции, непосредственно на растущей молекуле мРНК. У эукариот такое сопряжение невозможно, так как транскрипция и трансляция пространственно разобщены ядерной мембраной (см. гл. 7). Любопытно, что в нашей заметке на эту тему мы с Биллом Мартином несколько поторопились, заявив, что сопряжение транскрипции и трансляции является определяющим признаком прокариот. Как выяснилось, в то время соответствующие экспериментальные данные об археях отсутствовали. Вообще говоря, такая неаккуратность в научной публикации никак не заслуживает поощрения. В этот раз, однако, все закончилось хорошо, поскольку наша заметка стимулировала эксперименты, которые убедительно продемонстрировали существование сопряжения у архей (French SL, Santangelo TJ, Beyer AL, Reeve JN. // Transcription and translation are coupled in Archaea. Mol Biol Evol. 2007 Apr;24(4):893-5).
С этим разделением резко контрастирует единство общей организации геномов бактерий и архей. Несмотря на некоторые исключения, главный принцип организации генома может быть легко выражен следующим сжатым описанием: бактерии и археи имеют компактные геномы с короткими межгенными промежутками, устроенные таким образом, что множество генов формируют директоны, которые имеют тенденцию функционировать как опероны. Формирование директонов, многие из которых становятся оперонами, можно рассматривать как непосредственное следствие компрессии генома (дальнейшее обсуждение этой проблемы в гл. 8). Эволюционная устойчивость оперонов затем обеспечивается совместным действием очищающего отбора и частого ГПГ, в соответствии с концепцией эгоистичного оперона. Одинаковый принцип организации геномов бактерий и архей появился как непосредственное следствие давления отбора, которое действует в процессе эволюции этих форм жизни. Эти факторы отбора, в свою очередь, сами калибруются популяционной динамикой (см. гл. 8). Рассматривая все это вместе, я не могу не прийти к концепции прокариот как формы жизни, характеризующейся особым режимом эволюции, включающим всесторонний и неотъемлемый ГПГ, который создает хорошо перемешанный резервуар генов и приводит к общему типу организации их генома. Является ли термин «прокариоты» удачным для описания этой части биосферы, остается спорным вопросом (мы внесем некую ясность в эту проблему при обсуждении происхождения эукариот в гл. 7), но, вероятно, все же второстепенным.