Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
История эукариот (см. рис. 7–7) начинается с АПЭ, захватившего альфа-протеобактерию, которую трудно точно идентифицировать. Этот АПЭ мог иметь специфическую склонность к поглощению других прокариотических клеток, хотя, разумеется, это не был настоящий фагоцит, подобный современной амебе. Однако представляется вероятным, что АПЭ был археем, не имеющим клеточной стенки, похожим в этом отношении на ныне существующих термофильных архей из рода Thermoplasma. Более того, он, вероятно, обладал некоторой разновидностью цитоскелета, образованной актиноподобными белками, родственными тем, которые обнаружены у другой группы термофильных архей (группа в составе Crenarchaeota, известная как Thermoproteales); сравнительный анализ последовательностей этих архейных гомологов актинов (которые, к сожалению, еще не исследованы экспериментально) даже свидетельствует о возможности того, что они образуют ветвистые филаменты, ключевые структуры, вовлеченные в эукариотический фагоцитоз (Yutin et al., 2009)[62]. Так что не будет безосновательным предположение, что АПЭ «пасся» на бактериальном мате, время от времени захватывая бактериальные клетки. Большая часть поглощенных бактерий встретила свой конец в качестве пищи; другие бактерии могли убивать захватчиков, а некоторые могли становиться временными симбионтами. Фиксация эволюционно стабильного эндосимбионта – чрезвычайно трудная задача, поскольку надо преодолеть много препятствий, чтобы создать такой стабильный эндосимбиоз. Ясно, что, хотя изначальный захват будущего эндосимбионта мог произойти по воле случая, фиксация эндосимбионта могла стать возможной только в той мере, в какой это было связано с явными селективными преимуществами для возникшего химерного организма.
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 Müller, 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, с растущей зависимостью клетки от метаболизма симбионта. В этой ситуации эндосимбионты неизбежно должны были подвергаться лизису, что приводило к выпуску ДНК симбионта в окружающий (хозяйский) цитозоль химерной клетки. Примечательно, что даже в современных растениях и животных, где хромосомы отчасти защищены от чужой ДНК оболочкой ядра и фиксация любой встроившейся ДНК осложнена необходимостью интеграции в зародышевую линию и переживания рекомбинации в мейозе, встройки больших кусков митохондриальной ДНК в ядерный геном довольно распространены (Hazkani-Covo et al., 2010). В химерной протоэукариотической клетке вскоре после эндосимбиоза незащищенная ДНК хозяина должна была подвергаться настоящей бомбардировке ДНК эндосимбионта. Отметим, что эта ситуация принципиально асимметрична, потому что, во-первых, геномы жизнеспособных эндосимбионтов защищены от инвазии ДНК хозяина бактериальной мембраной, тогда как ДНК хозяина открыта; а во-вторых, потому, что количество свободной ДНК эндосимбионта намного больше. Таким образом, в результате возникает храповик (ratchet) перемещения генов от эндосимбионта к хозяину (Martin and Koonin, 2006a).
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):
