Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
1. Аппарат сплайсинга, способный к эффективному функционированию в транзакции.
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.
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.
Данный сценарий приводит к простому, но неожиданному предсказанию: те гены, которые могут функционировать только внутри оперонов, но оказывают повреждающее действие, оказавшись вне контекста оперона, будут полностью утрачены у эукариот. Замечательно, что это в точности соответствует случаям систем токсин – антитоксин и рестрикции – модификации, которые повсеместно распространены у бактерий и архей (см. гл. 5), но, по-видимому, полностью отсутствуют у эукариот.
Почти полная элиминация ГПГ также дает эволюционный стимул для широкомасштабной дупликации генов, которая является главным механизмом инновации у эукариот (Lespinet et al., 2002). Популяционное «бутылочное горлышко», обусловленное размножением эндосимбионтов, сделало возможным взрыв дупликаций во время фазы ствола (Makarova et al., 2005; также см. гл. 8), но в более общем смысле дупликации замещают ГПГ как главный источник обновлений в течение всей эволюции эукариот.
Последнее по порядку, но, конечно, не по значению – это то, что низкий уровень ГПГ у эукариот можно считать принципиальным фактором, обусловившим возникновение полового размножения с использованием мейоза, одного из определяющих биологических процессов у эукариот. Действительно, у эукариот вредные мутации обычно не могут быть скомпенсированы горизонтально перенесенными генами, и это давление должно способствовать эволюции системы регулярной рекомбинации, которая бы предупреждала накопление таких мутаций и последующий мутационный крах. Такая система, противодействующая храповику Мёллера, развилась в форме мейоза и полового размножения. Это мог быть и не единственный фактор, который послужил движущей силой в эволюции полового размножения, но он, несомненно, важен (мы не имеем возможности обсуждать подробно данную проблему, чрезвычайно популярную среди эволюционных биологов [de Visser, Elena, 2007]). Учитывая, что снижение ГПГ в большой степени является следствием эволюции ядра, «изобретение» мейоза и полового размножения – на базе систем репарации и деления клеток у архей – по-видимому, является частью цепи инициированных вторжением интронов адаптаций, направленных на защиту и контроль повреждений (см. рис. 7–6).
