Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
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.
Избранные примеры, обсуждавшиеся выше, указывают на огромное, все еще не до конца понятое разнообразие мобилома прокариот и подчеркивают значительный вклад, который мобилом вносит в эволюцию геномного пространства-времени прокариот.
Незаменимость ГПГ для эволюции прокариот
Вероятно, еще не все биологи осознают тот факт, что ГПГ является принципиально важным фактором эволюции прокариот и может, по-видимому, рассматриваться как необходимое условие долгосрочного выживания бактерий и архей. Любая популяция, у которой отсутствует рекомбинация генетического материала, в конечном счете имеет тенденцию к вымиранию, так как она не обладает эффективными средствами для устранения неизбежно накапливающихся вредных мутаций. Обычно преимущество популяций, у которых есть механизм полового размножения или его аналог, перед бесполыми приписывается механизму, известному как храповик Мёллера [Möller’s ratchet (Möller, 1964)]. Под действием храповика Мёллера накопление вредных мутаций в условиях отсутствия рекомбинации (одной из форм которой является половое размножение) приводит к постепенной потере приспособленности и гибели бесполой популяции. Эффект храповика Мёллера наиболее сильно проявляется в случае популяций небольшого размера из-за большой роли генетического дрейфа. Майкл Линч с сотрудниками разработали более подробную модель угасания бесполой популяции, известную как мутационная катастрофа (Lynch et al., 1993). С учетом того, что большинство мутаций являются (по меньшей мере) слабовредными, бесполая популяция входит в «нисходящую спираль» мутационной катастрофы, когда храповик Мёллера действует совместно с генетическим дрейфом. В этом случае размер популяции падает из-за подавления отбора, очищающего от вредных мутаций, что, в свою очередь, в итоге приводит к усилению генетического дрейфа и увеличению вероятности случайной фиксации дополнительных вредных мутаций. Таким образом, мутационная катастрофа, по-видимому, устанавливает пределы для размера генома и продолжительности существования популяций бесполых организмов.
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 частого разрушения функционально важных связей между генами (оперонов). Очевидное предсказание гипотезы оптимизации ГПГ заключается в том, что функционально важные гены, которые быстро эволюционируют и часто утрачиваются в процессе эволюции, должны чаще подвергаться ГПГ. В главе 6 мы увидим, что это предсказание действительно подтверждается сравнительным анализом филогенетических деревьев генов прокариот. Эти наблюдения позволяют нам рационально объяснить эволюцию АПГ как специализированных посредников ГПГ, которые сохраняют темп переноса генов выше того порога, ниже которого наступает катастрофа. Кроме того, ДНК-помпы, участвующие в трансформации (Chen et al., 2005), также можно рассматривать скорее как устройства для обеспечения ГПГ, чем как простые механизмы для приобретения нуклеотидов (в форме ДНК, поглощаемой из окружающей среды), как иногда предполагается.
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).
