Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Каков, таким образом, главный вывод o распространенности и роли ГПГ в мире прокариот? С моей точки зрения, бесспорно, что ГПГ является определяющим процессом в эволюции прокариот, влияющим на все аспекты биологии бактерий и архей. Попытки отрицания ГПГ как маргинального феномена устарели и обречены на неудачу. Метафора паутины эволюции (см. рис. 5–6), по-видимому, становится неотъемлемой частью эволюционной биологии. Однако на количественном уровне вопрос o масштабах ГПГ еще далеко не решен, а также еще далеко не ясно, каковы те главные факторы, которые приводят к горизонтальному переносу индивидуальных генов и оперонов. Эти проблемы являются центральными для нашего понимания эволюции прокариот. В главе 6 мы обратимся к ним прямо.
Мобилом прокариот
Как отмечено в предыдущем разделе, вряд ли любой из членов КОГ принципиально обладает иммунитетом против ГПГ, но некоторые гены в этом отношении «более равны, чем другие». Существенная часть генетического материала прокариот состоит из эгоистичных элементов, для которых горизонтальная мобильность является основным режимом их распространения; совокупность таких элементов в свое время была метко названа мобиломом (Frost et al., 2005). Мы также обсуждаем мобилом в контексте мира вирусов (см. гл. 10), но, чтобы описать в общих чертах формирующееся логически последовательное представление об эволюции прокариот, мы должны здесь вкратце рассмотреть наиболее яркие свойства генетических элементов этого класса. Мобилом состоит из бактериофагов, плазмид, транспозонов и генов, которые часто ассоциируются с ними и регулярно становятся «пассажирами», в числе прочих, системы рестрикции-модификации (ОМ) и токсины-антитоксины (ТА). Это представляется вполне естественным, так как вирусы и плазмиды мобильны по определению, так же как и системы защиты. Мобилом неразрывно связан с «главными» хромосомами прокариот. Вирусы (бактериофаги) и многие плазмиды систематически интегрируются в хромосомы, либо обратимо, в этом случае они часто мобилизируют хромосомные гены, либо необратимо, когда мобильные элементы «одомашниваются», превращаясь в «обычные» гены, изначально ОРС (см. выше раздел «Фрактальное пространство-время генома, пангеномы и кластеризация прокариот»). Со времен классического эксперимента Жакоба и Волмана в 1950-х было хорошо известно, что конъюгативные плазмиды могут быть посредниками при перемещении больших фрагментов бактериальных хромосом, a вирусы (бактериофаги) давно известны как посредники при переносе генов путем трансдукции (Bushman, 2001). Открытие АПГ, которые, по-видимому, являются специализированными векторами для ГПГ, еще более убедительно подтверждает существование механизмов, регулирующих обмен генетическим материалом между мобиломом и хромосомами (Paul, 2008).
Перенос плазмидами устойчивости к антибиотикам и путей вторичного метаболизма является хрестоматийным примером динамики бактериальной мобиломы, но роль плазмид далеко не исчерпывается такими относительно узкими областями биологии. На самом деле граница между хромосомами и плазмидами весьма размыта. Плазмиды являются репликонами (обычно циркулярными, но иногда и линейными), которые, подобно хромосомам прокариот, имеют точку начала репликации и кодируют по крайней мере некоторые из белков, участвующих в собственной репликации и сегрегации (распределении реплицированных плазмид между дочерними клетками в процессе деления). Ключевые белки, вовлеченные в процессы сегрегации плазмид и хромосом, в частности АТФазы семейств FtsK/HerA, гомологичны во всем мире прокариот (а также обнаружены у многих вирусов – см. гл. 10), факт, который подчеркивает общность эволюционного происхождения и стратегий различных прокариотических репликонов (Iyer et al., 2004b; McGeoch and Bell, 2008).
«Канонические» геномы многих бактерий и архей включают, в дополнение к «главной» хромосоме (или хромосомам), один или больше неотъемлемых, относительно больших и стабильных внехромосомных элемента, часто называемых мегаплазмидами. Мегаплазмиды могут удивительно долго сохраняться в процессе эволюции. Например, единственная мегаплазмида бактерии Thermus thermophilis гомологична одному или двум мегаплазмидам бактерии Deinococcus radiodurans и, следовательно, произошла от общего предка этих родственных, но сильно разошедшихся бактерий (Omelchenko et al., 2005). Однако в процессе эволюции этой древней группы бактерий мегаплазмиды накопили (относительно своих размеров) намного больше отличий в составе генов, чем хромосомы. Кроме того, мегаплазмиды имеют много горизонтально перенесенных генов, включая гены термофильных организмов, которые, очевидно, были приобретены линией Thermus и важны для их термофильного стиля жизни. Таким образом, хотя мегаплазмиды могут существовать в геномах прокариот в течение продолжительного по эволюционным меркам времени, они демонстрируют большую эволюционную пластичность, чем хромосомы, и служат своеобразными «запасниками» для ГПГ.
Почти все секвенированные геномы прокариот содержат следы интеграции многочисленных плазмид и фагов. В частности, примечательно, что большинство геномов архей обладают несколькими версиями оперона herA-nurA, который кодирует ключевые компоненты (АТФазы и нуклеазы) механизма сегрегации плазмид после репликации. Каждый из этих оперонов является остатком отдельного репликона, таким образом, слияние репликонов, по-видимому, является у прокариот достаточно частым событием. В ходе эволюции такая интеграция могла быть важным фактором, который сформировал наблюдаемую архитектуру хромосом прокариот (Iyer et al., 2004b; McGeoch and Bell, 2008).
Системы защиты и ответа на стресс, в частности, рестрикции-модификации и системы токсин-антитоксин можно рассматривать в качестве особых частей мобилома. Сравнительный анализ этих систем выявил быструю эволюцию и частый ГПГ; кроме того, они часто обнаруживаются в геномах плазмид и бактериофагов. Несмотря на их громадное молекулярное разнообразие, эти системы работают на одном и том же принципе – каждая содержит токсин, то есть белок, который либо разрушает хромосомную ДНК (ферменты рестрикции), либо блокирует систему трансляции в результате гидролиза мРНК или тРНК (соотвествующие токсины обладают эндонуклеазной активностью, специфичной к РНК), либо убивает клетку, вызывая образование отверстий в мембране (Kobayashi, 2001; Van Melderen and Saavedra De Bast, 2009). Вызванная токсинами гибель клетки в случае использования систем рестрикции-модификации предотвращается специфическим метилированием ДНК, a в случае систем токсин-антитоксин путем нейтрализации токсина антитоксином. Эта нейтрализация достигается либо посредством взаимодействия двух белков (токсина и антитоксина), либо посредством подавления трансляции мРНК токсина комплементарной к ней малой РНК, которая в этом случае выполняет роль антитоксина. Эти системы обладают свойствами эгоистичных элементов, которые эволюционировали таким образом, чтобы сделать клетки хозяина зависимыми от них (addicted). Когда клетка теряет соответствующие гены, она обычно погибает либо в результате действия токсина, поскольку токсины более стабильны, чем антитоксины, так что их активность после деградации антитоксинов, запасы которых перестают восполняться, резко возрастает, либо из-за ослабления активности ферментов модификации в результате снижения их концентрации, в то время как рестриктазы сохраняют активность. Из-за этого свойства токсин-антитоксинных систем плазмиды, которые переносят токсин-антитоксинные гены и, таким образом, гарантируют, что их хозяева «подсядут» на них, убивая клетки, которые утратили плазмиды, получают сильное селективное преимущество перед плазмидами, не имеющими токсин-антитоксинных систем. Известные к настоящему времени токсин-антитоксинные системы, вероятно, представляют, как принято говорить, лишь вершину айсберга, так как геномы бактерий и архей несут большое количество различных оперонов, имеющих свойства, сближающие их с токсин-антитоксинными оперонами (а именно пара генов, кодирующих небольшие белки, которая появляется в одинаковой комбинации в различных геномах и геномных окружениях), но которые не были (пока) экспериментально исследованы (Makarova et al., 2009a).
Недавно был открыт еще один очень необычный класс систем мобильной защиты, который присутствует у большинства архей и примерно одной трети бактерий из числа секвенированных геномов (Deveau et al., 2010; Koonin and Makarova, 2009). Эта система состоит из массива коротких палиндромных повторов, регулярно расположенных группами (CRISPR), и включает в себя около 50 отдельных семейств генов (ассоциированных с CRISPR и обозначаемых cas (CRISPR-associated). Примечательно, что здесь мы сталкиваемся со вторым по размерам (после рибосомного супероперона) массивом связанных между собой генов (генетическим окружением) в геномах прокариот (Rogozin et al., 2002). Система CRISPR-Cas защищает клетки прокариот от фагов и плазмид «ламарковским путем» (мы вернемся к этому вопросу более подробно в гл. 9): фрагмент гена фага или плазмида интегрируется в локус CRISPR на бактериальной хромосоме и впоследствии транскрибируется и используется посредством все еще плохо изученных механизмов для подавления репликации эгоистичных агентов. Система CRISPR-Cas демонстрирует выдающуюся пластичность даже между близкородственными штаммами бактерий и архей, а также, по-видимому, часто переносится путем ГПГ.
