Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
В настоящее время филогеномный подход – то есть филогенетический анализ на уровне генома – использует большие наборы консервативных генов. Важнейшим достижением на этой новой стадии было обнаружение «супергрупп», каждая из которых сочетает весьма различные группы эукариотических организмов в монофилетическую кладу (Adl et al., 2005; Keeling, 2007; Keeling et al., 2005). Большинство опубликованных до сих пор результатов филогенетического анализа дают пять супергрупп (или шесть, если не объединять Amoebozoa и Opisthokonta в супергруппу Unikonta; см. рис. 7–2б). Хотя демонстрация монофилии – нетривиальная задача для каждой из супергрупп, за возможным исключением растений, общая структура древа с небольшим числом супергрупп, образующих лучевую филогению, воспроизводится устойчиво, и последние исследования, по-видимому, подтверждают монофилетическое происхождение каждой из пяти супергрупп. Рассмотрение состава супергрупп может оказаться весьма поучительным и оказать самое радикальное воздействие на наше восприятие эукариот. Из пяти супергрупп на «лучевом» древе (см. рис. 7–2б) только три – Unikonta, Plantae и Chromalveolata (в последнем случае имеются в виду бурые водоросли) – включают сложные многоклеточные организмы, и даже в этих трех супергруппах многоклеточные организмы образуют только «кроны» (или только одну ветвь у Chromalveolata), тогда как несколько крупных ветвей в этих трех супергруппах и остальные две супергруппы состоят из протист. Хотя животные и растения конечно же наиболее заметные формы жизни, эукариотическая жизнь в основном определяется огромным разнообразием одноклеточных форм, тогда как видимые невооруженным глазом, большие многоклеточные существа суть лишь побочные ответвления в трех ветвях эукариот, образованных протистами.
Выяснение родственных связей между супергруппами представляет собой труднейшую проблему. Внутренние ветви чрезвычайно коротки, что означает быстрое (по меркам эволюции) расхождение супергрупп, возможно напоминавшее эволюционный Большой взрыв (см. гл. 6). В двух тщательных филогенетических исследованиях, в каждом из которых было проанализировано более 130 консервативных белков из нескольких десятков видов эукариот, после изучения эффекта исключения быстро эволюционирующих таксонов было получено филогенетическое древо эукариот, состоящее из трех мегагрупп (Burki et al., 2008; Hampl et al., 2009). Эти мегагруппы представлены Unikonta, Excavata и объединенной группой, составленной из Plantae, Chromalveolata и Rhizaria (см. рис. 7–2б).
Предпринималось несколько попыток вывести корень филогенетического древа эукариот (см. рис. 7–2б). Филогенетические подходы сами по себе не дают информации о корне, а использование прокариотических внешних групп приводит к потере разрешения метода, так что требуется независимая информация. Популярная идея заключается в том, чтобы попытаться идентифицировать так называемые производные состояния признака (синапоморфии), которые могут расщепить древо на два поддрева и таким образом установить положение корня. Проблема состоит в том, чтобы найти такие признаки, для которых вероятность независимого появления в двух и более линиях очень мала. Первое корневое дерево, являющееся альтернативой филогении группы кроны, было предложено Томом Кавалье-Смитом с соавторами (Richards and Cavalier-Smith, 2005; Stechmann and Cavalier-Smith, 2003). Эти исследователи использовали ясно различимые редкие геномные изменения (РГИ), такие как слияние генов, кодирующих два вездесущих фермента (дигидрофолатредуктазу и тимидилатсинтазу), а позже доменную архитектуру миозинов, и поместили корень древа между Unikonta и остальными эукариотами, Heteroconta (см. рис. 7–2б). Это разделение выглядит приемлемым с биологической точки зрения, потому что клетки Unikonta имеют единственный жгутик, тогда как у всех остальных эукариотических клеток их два. Тем не менее в этом выводе можно усомниться, так как, используя небольшое число РГИ, трудно исключить параллельное возникновение тех же самых РГИ, таких как слияние или разрыв генов, в других линиях эволюции (феномен, известный под названием гомоплазии).
Игорь Рогозин и коллеги использовали другой РГИ-подход, основанный на редких замещениях высококонсервативных аминокислотных остатков, которые требуют двух нуклеотидных замен, и пришли к заключению, что наиболее вероятное положение корня древа – между растениями и остальными эукариотами (см. рис. 7–2б; Rogozin et al., 2009). И снова представляется, что такая схема имеет биологический смысл, поскольку цианобактериальный эндосимбиоз, давший начало пластидам, произошел в линии растений и, согласно данному сценарию, мог оказаться тем событием, которое инициировало первичное расхождение эукариот. Несколько крупных ветвей Chromalveolata возникли в результате поглощения одноклеточных водорослей предковыми, беспластидным одноклеточным эукариотами (см. рис. 7–2б)[61].
Другая возможная позиция корня эукариот следует непосредственно из результатов анализа митохондриальных геномов. Как отмечалось ранее в этой главе, представитель Excavata Reclinomonas americana имеет, несомненно, самый сложный из известных митохондриальных геномов, содержащий около ста функциональных генов, тогда как у остальных эукариот их менее двадцати. Можно было бы предположить, что Reclinomonas представляет собой самую раннюю ветвь эукариот, отделившуюся от ствола древа эукариот до окончательной деградации генома эндосимбионтов. Данный сценарий поместил бы корень древа в супергруппу Excavata. Однако имеется жизнеспособная и, возможно, более вероятная альтернатива: последний этап деградации митохондриального генома наступил уже после расхождения главных ветвей эукариот и продолжался конвергентными путями в разных линиях независимо. Последний сценарий подразумевает мощный эволюционный процесс, приводящий к потере (либо к переносу в геном хозяина) всех генов эндосимбионта, за исключением малого числа тех, которые обязательно должны остаться в митохондриальном геноме для сохранения жизнеспособности митохондрий; ниже в данной главе мы обсудим возможную природу этого процесса и требования к митохондриальному геному.
Отсутствие согласия относительно положения корня древа и монофилии по крайней мере в некоторых супергрупах, не говоря о мегагруппах, указывает на то, что, несмотря на некоторые появляющиеся свидетельства, порядок первичных ветвлений в филогении эукариот в настоящее время остается неизвестным. В некотором смысле, если в раннем расхождении эукариот имел место Большой взрыв, то порядок ветвления супергрупп как таковой можно считать не имеющим особого значения. Однако биологические события, повлекшие это раннее расхождение, представляют огромный интерес, поэтому серьезные попытки разобраться в топологии самых глубоких ветвей эукариот, без сомнения, будут продолжаться с использованием более масштабных наборов данных и более совершенных методов.
Сложный, «растущий» LECA и темные века эволюции эукариот
Реконструкция LECA
Закрепление главных черт клеточной организации и, что более важно, существование большого набора генов, остающихся консервативными у всех или у большинства ранообразных эукариот, не оставляет сомнений, что все ныне существующие эукариоты произошли от одного общего предка (Last Eukaryote Common Ancestor, LECA). Как обсуждалось в начале этой главы, все эукариоты, которые были изучены достаточно детально, имеют либо митохондрии, либо МПО. Самое простое (самое экономное) заключение из этого положения вещей состоит в том, что LECA уже обладал митохондриями. И повторюсь, правдоподобность этого вывода возрастает с каждой новой описанной группой эукариот, в которой обнаруживаются органеллы, подобные митохондриям.
Реконструкция эволюции генного репертуара эукариот основана на тех же принципах и методах, что и реконструкция эволюции прокариот, обрисованная в главе 5, – в общем и целом, это принципы наибольшей экономии и наибольшего правдоподобия. Описывая суть этих подходов очень упрощенно, можно сказать, что происхождение генов, представленных у различных ныне живущих представителей главных линий эукариот, и даже предположительно потерянных в некоторых линиях, можно отследить вплоть до LECA. Результаты всех этих реконструкций согласованно указывают на сложность LECA как в отношении числа предковых генов, так и, что может быть даже более важно, в отношении наличия у предка типичных функциональных систем эукариотической клетки. Максимально экономные реконструкции, основанные на филетических паттернах в кластерах ортологичных генов эукариот, относят к LECA приблизительно 4100 генов (Koonin et al., 2004). Такие оценки очень консервативны, поскольку они не принимают во внимание главного аспекта эволюции эукариот – специфической для индивидуальных ветвей утраты предковых генов. Действительно, даже животные и растения, по-видимому наименее склонные к утрате генов эукариотические царства, явно утратили около 20 процентов предполагаемых предковых генов, идентифицированных у свободноживущего представителя Excavata Naegleria gruberi (Fritz-Laylin et al., 2010; Koonin, 2010b). Таким образом, эти реконструкции означают, что геном LECA был не менее сложным, чем геном типичных современных свободноживущих одноклеточных эукариот (Koonin, 2010a).
