Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Шрифт:
Что могло быть фактором (или факторами) отбора, поддержавшими появление архео-бактериальной химерной системы? Если предполагать микроаэрофильные условия во время эукариогенеза (или, может быть, даже анаэробные условия в той специфической среде, где имел место эукариогенез), то вряд ли селективным преимуществом была основанная на дыхании биоэнергетика. Вместо этого начальной причиной, способствовавшей стабилизации эндосимбиоза, могла быть метаболическая интеграция хозяина и симбионта, которая постепенно становилась мутуалистической. Специфическая модель такой метаболической связи, так называемая водородная гипотеза, была предложена Биллом Мартином и Миклосом Мюллером (Martin and M"uller, 1998). Согласно водородной гипотезе, метаболизм архейного хозяина был основан на утилизации молекулярного водорода, который был побочным продуктом анаэробного гетеротрофного метаболизма симбионта. Анаэробная продукция АТФ, а отчасти и аэробное дыхание могли стать дополнительными преимуществами эндосимбиоза.
Эндосимбиоз мог создать особые условия внутри клеток гибридного организма. Естественно, для того, чтобы быть унаследованными, бактерии, ставшие эндосимбионтами, должны были делиться. Все современные аэробные эукариотические клетки содержат множество митохондрий, и само собой разумеется, что эта связь – множество эндосимбионтов внутри одной химерной клетки – тянется из очень ранней фазы эволюции, фактически с момента происхождения этой химеры. Число копий эндосимбионта могло расти постепенно,
Открытость генома хозяина воздействию ДНК эндосимбионта имеет несколько важнейших последствий. Вставка участка ДНК эндосимбионта в ген хозяина, выполняющий важные для выживания клетки функции, должна была приводить к гибели соответствующих клеток и не фиксироваться в протоэукариотической популяции. Прокариоты обладают геномами с тесным («стена к стене») расположением генов, эти геномы в основном составлены из белок-кодирующих генов (см. гл. 5), и нет причины полагать, что АПЭ был исключением из этого правила. Таким образом, размножение эндосимбионта, сопровождаемое случайным лизисом, должно было оказывать на популяцию химерных клеток исключительное давление, возможно приводящее к втягиванию популяции в «бутылочное горло». Такое «бутылочное горло» может резко увеличивать скорость генетического дрейфа и, следовательно, усиливать роль случайности в эволюции при снижении интенсивности отбора (мы обсудим это важное явление подробнее в гл. 8). Предлагаемый сценарий эукариогенеза выглядит парадоксальным: эндосимбиоз кажется выгодным в плане метаболической кооперации, но в то же время разрушительным по причине высвобождения ДНК эндосимбионта и других эффектов его внутриклеточного размножения. Однако можно полагать, что эта ситуация создает сильное напряжение, но не парадокс: химерная клетка может выдержать атаку чужой ДНК без потери эндосимбионта, если взаимные связи между хозяином и симбионтом были установлены спустя очень короткое время после вторжения симбионта. Это напряжение между необходимостью сохранить эндосимбионта и тем гнетом, который он оказывает на химерную клетку, могло оказаться необходимым условием для появления эукариотических нововведений.
Последовательности определенного класса, будучи встроены даже в функционально важные гены, наносят гораздо меньший урон. Это так называемые самосплайсирующиеся интроны группы II, класс обратно-транскрибируемых самореплицирующихся генетических элементов, которые «прыгают» по геномам многих бактерий и некоторых мезофильных архей, а также митохондрий грибов и растений (Lambowitz and Zimmerly, 2004). Они имеют очень интересный, необычный жизненный цикл: используя РНК (рибозимный катализ), они вырезают сами себя из транскриптов соответствующих генов хозяина, а затем, сделав копии собственной ДНК с помощью обратной транскриптазы, которую сами и кодируют, встраиваются в новые сайты на хромосоме хозяина. Сегодня считается доказанным, что интроны группы II, которые в мире эукариот представлены только в некоторых органеллах эндосимбиотического происхождения, являются предшественниками сплайсосомных интронов, которые прерывают эукариотические белок-кодирующие гены (Keating et al., 2010; Toor et al., 2008). Действительно, терминальные структуры интронов группы II, ответственные за вырезание интрона, имеют близкое сходство с каноническими терминальными структурами сплайсосомных интронов. Еще важнее, что небольшие молекулы РНК в сплайсосоме, катализирующие сплайсинг у всех эукариот, также происходят от интронов группы II. Большинство бактерий контролируют число интронов группы II, удерживая его на уровне нескольких копий на бактериальную хромосому (или удаляя вовсе), вследствие интенсивного очищающего отбора в бактериальных популяциях (см. гл. 8). Интересно, что альфа-протеобактерии относительно богаты этими элементами, они содержат до 30 копий на бактериальный геном. Наиболее высокое содержание интронов группы II наблюдается в митохондриях грибов и растений, где они составляют существенную долю генома. Размножение интронов группы II в геноме эндосимбионта могло начаться вскоре после установления эндосимбиоза и было, вероятно, инициировано неизбежным снижением размера популяции симбионта и последующей невозможностью эффективно избавляться от самореплицирующихся элементов.
Таким образом, интроны группы II могли в значительном количестве присутствовать в ДНК эндосимбионта, бомбардировавшей геном хозяина. Более того, эти элементы обладают способностью активно интегрироваться в другие молекулы ДНК, так что они могли агрессивно атаковать хромосомы хозяина, встраиваясь в гены, а затем перемещаясь куда-то еще (Martin and Koonin, 2006a). Хотя интроны группы II после транскрипции автокаталитически вырезаются из транскрипта, так что окружающие экзоны сшиваются вместе, все же массовое «заражение» генов хозяина может представлять серьезную опасность. В самом деле, сплайсинг – относительно медленный процесс, он намного медленнее трансляции. У прокариот, где транскрипция и трансляция сопряжены, транскрипты со встроенными интронами группы II во многих случаях были бы транслированы раньше, чем дело дошло бы до сплайсинга. При большом количестве интронных вставок последствия могли быть чрезвычайно существенны, возможно, фатальны: накапливались бы неправильно транслированные белки, и это оказывало бы пагубное воздействие на клетку. Еще более серьезными могли бы быть последствия инактивации открытой рамки считывания, кодирующей обратную транскриптазу (ОТ) интронов группы II, действующую в цис– положении как кофактор сплайсинга (на этой стадии – не как фермент). Для генов, содержащих интроны с инактивированными генами ОТ, должен был бы идти сплайсинг in trans [63] . Как известно, он непродуктивен, так что такие интроны с высокой эффективностью прекращали бы синтез соответствующих функциональных белков. Таким образом, заражение генов хозяина интронами группы II должно было создать мощную движущую силу для каскада эволюционных обновлений (Koonin, 2006):
63
То есть сплайсинг при помощи обратной транскриптазы, кодируемой другим интроном.
1. Аппарат сплайсинга, способный к эффективному функционированию в
2. Инструмент защиты, который мог бы разобщить трансляцию и транскрипцию, позволив относительно медленному процессу сплайсинга завершиться до того, как начнется трансляция.
3. Дополнительные «линии защиты» от накопления аберрантных полипептидов.
Действительно, все три типа адаптаций к вторжению интронов развились в эволюции прокариот до появления LECA: сплайсосома, ядро, дополнительные системы контроля качества, такие как нонсенс-опосредованный распад (НОР) – механизм, удаляющий незрелые транскрипты, и убиквитин-зависимая система деградации белков, которая непосредственно разрушает аберрантные белки (см. рис. 7–6).
Таким образом, в принципе натиск ретроэлементов эндосимбионта на геном хозяина создает давление отбора, необходимое для возникновения ряда определяющих нововведений эукариотической клетки, и самое главное – системы внутренних мембран, главным компонентом которой является ядро. При более близком рассмотрении, однако, проблема развития этих систем все еще подозрительно напоминает «неупрощаемую сложность». Необходимы особые объяснения, и их непросто находить. Например, сложно устроенный комплекс ядерной поры не может работать и, соответственно, не может быть подхвачен отбором в отсутствие оболочки ядра, но последняя не может сообщаться с цитозолем без комплекса ядерной поры. Скорее всего, эволюция системы внутренних мембран и ядра, хоть и быстрая в масштабах, все же проходила через промежуточные стадии. Пролиферация эндосимбионтов внутри развивающихся химерных клеток могла быть очень постепенной, что позволяло бы протоэукариотам жить достаточно долго, чтобы нововведения с ограниченным положительным эффектом могли зафиксироваться. Можно представить, что серия нововведений началась с образования везикул из мембраны эндосимбионта. Эти везикулы могли сформировать примитивную систему внутренних мембран, включая протоядро, то есть компартмент, заключавший в себе одну или несколько хромосом и имевший не поры современного типа, а только просветы между уплощенными везикулами; каждая их них оставалась связана с системой внутренних мембран. Просветы в протоядерной мембране предупреждали доступ рибосом к сайтам транскрипции, таким образом разъединяя транскрипцию и трансляциию, типично сопряженные у прокариот, и уменьшая тем самым вред от встроившихся ретроэлементов (интронов группы II). В такой ситуации клетка могла пережить дальнейшую пролиферацию (прото)митохондрий и усиление выхода из них ДНК и ретроэлементов. Это, в свою очередь, могло создавать селекционное давление, способствующее дальнейшей эволюции ядра, которая в итоге привела к появлению комплекса поры современного типа, активно контролирующего ядерно-цитоплазматические потоки и соединяющего сплайсинг первичных мРНК с экспортом зрелых мРНК из ядра. Пролиферация внутренних мембран в конечном итоге привела к полной реконструкции мембранной системы прокариотической клетки, причем предковая архейная плазматическая мембрана была замещена бактериальными мембранами, предположительно изнутри, путем распространения эндомембран, происходящих от симбионта.
Можно представить себе подобный сценарий для эволюции сплайсосомы, начиная с системы, состоящей только из РНК, в которой как интроны, так и каталитическая малая РНК, участвующая в сплайсинге, происходят от ретроэлементов. Следующая стадия эволюции могла, в числе прочего, задействовать Sm– белок [64] , стабилизирующий РНК-дуплексы, вовлеченные в сплайсинг (Veretnik et al., 2009), за чем последовала эволюция рибонуклеопротеидной сплайсосомы. Замечательно, что совсем недавние наблюдения указывают на то, что один из ключевых белковых компонентов сплайсосомы, Prp8, является инактивированным производным обратной транскриптазы интрона группы II (Dlakic and Mushegian, 2011). Это неожиданное открытие – еще одно свидетельство разнообразного вклада интронов группы II в происхождение как сплайсосомных интронов, так и самой сплайсосомы. В более общем плане такая пошаговая эволюционная настройка может отчасти объяснять эволюцию сложных систем, столь характерных для эукариотической клетки.
64
У архей этот белок участвует в процессинге малых РНК.
Конечно, многие важные аспекты клеточной организации эукариот не могут быть легко связаны с прямыми последствиями эндосимбиоза. Обратите внимание на эукариотический хроматин, с его множеством линейных хромосом, заменяющих кольцевые хромосомы, обычные у бактерий и архей. Чрезвычайно изощренная организация эукариотического хроматина, с его регулярными нуклеосомными структурами, по крайней мере внешне резко отличается от много более простой структуры прокариотических хромосом (Branco and Pombo, 2007), хотя археи (эуриархеи) обладают простыми нуклеосомами, содержащими гистоны (Bailey et al., 2002). Добавьте к этому фундаментальное изменение устройства генома, в котором главный принцип прокариотических геномов – оперонная организация – отброшен. Эту серию крупных изменений, связанных с эукариогенезом, трудно приписать специфическому влиянию эндосимбиоза. Тем не менее можно проследить некоторые интересные связи. Линейные хромосомы стоят перед трудной проблемой репликации концов, учитывая, что все известные ДНК полимеразы требуют затравки и не могут стартовать с первого нуклеотида матрицы. Если не работает специальный механизм, обеспечивающий сохранение концевых участков хромосом, то в каждом цикле репликации они укорачиваются, делая репликацию неустойчивой. Все эукариоты используют фермент, называемый теломеразой, который сохраняет набор повторов на концевых участках хромосомы путем обратной транскрипции небольшой молекулы РНК, ассоциированной с ним (Autexier and Lue, 2006). Поразительно, но теломераза – это еще одно (кроме Prp8) эволюционное производное от обратной транскриптазы интрона группы II, в данном случае сохранившее энзиматическую активность. Теломераза представляется тем связующим звеном, которое обеспечило переход к линейным хромосомам в пределах связанного с эндосимбиозом или, говоря более узко, стимулированного ретроэлементами каскада инноваций (Koonin, 2006; см. рис. 7–6 и 7–7).
Для всей последующей эволюции эукариот критически важным и, очевидно, неизбежным следствием возникновения ядра стало радикальное снижение уровня ГПГ, если не полное его прекращение. Хотя имеются многочисленные сообщения о захватах бактериальных генов одноклеточными эукариотами, уровень ГПГ трудно сравнивать с тем, который наблюдается у непаразитических бактерий и архей (Keeling and Palmer, 2008). Большая часть ДНК, которая попадает в эукариотическую клетку, разрушается, даже не успев войти в ядро и достичь хроматина. Такое резкое замедление ГПГ подсказывает естественный ответ на вопрос, который иначе ставит в тупик: почему эукариоты утратили все опероны своих прокариотических предков? (Архейный хозяин, несомненно, обладал типичной оперонной организацией генов, как и эндосимбионт.) Вспомним концепцию эгоистичного оперона: как только происходит эффективный ГПГ, храповик приводится в движение; значит, коль скоро оперон разрушен, вероятность его воссоздания посредством рекомбинации, а затем сохранения отбором становится чрезвычайно мала. Фактически этот оперон безвозвратно утрачивается в данной линии. Видимо, этот храповой механизм уничтожил все прокариотические опероны на ранних стадиях эволюции эукариот. Опероны, все-таки существующие у некоторых эукариот, таких как нематоды, не имеют ничего общего с прокариотическми оперонами; по всей видимости, они возникли de novo и не были зафиксированы в далеко разошедшихся эукариотических линиях.