Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
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).
Другое важнейшее последствие пролиферации протомитохондриального эндосимбионта внутри химерной протоэукариотической клетки состоит в том, что в известном смысле комплементарным снижению ГПГ из внешних источников является высвобождение случайных участков бактериальной ДНК (в противоположность эгоистичным элементам) посредством лизиса эндосимбионтов. Такие фрагменты ДНК тоже могут встраиваться в хромосому хозяина, хотя и реже, чем эгоистичные элементы. Во многих случаях такие включения окажутся фатальными. Однако, когда полная последовательность гена из эндосимбионта встраивается в межгенный участок на хромосоме хозяина, заметного повреждающего эффекта может и не быть. Более того, встроенный ген может экспрессироваться, если необходимые регуляторные элементы доступны по соседству с местом встройки. Фрагменты митохондриальной ДНК случайно встраиваются в ядерные геномы растений и животных даже теперь (Hazkani-Covo et al., 2010), несмотря на преграды, создаваемые ядром и системами защиты от цитозольной ДНК. Несомненно, частота встроек была намного выше во время эукариогенеза, до полного формирования эукариотической клеточной организации. Храповик переноса генов приводит к удвоению гена, когда функциональные копии одного и того же гена представлены как в геноме эндосимбионта, так и в ядерном геноме. Некоторые из ядерных генов, возникших таким путем, были задействованы в клеточных функциях вне эндосимбионта. Однако в других случаях встроенному гену предшествует последовательность, кодирующая так называемый транзитный пептид, способный опосредовать импорт белка обратно в эндосимбионт. Это еще одно «счастливое совпадение», но оно не так невероятно, как кажется, потому что транзитные пептиды обычно представляют собой простые повторяющиеся последовательности, которые вполне могут возникнуть по чистой случайности (Neupert and Herrmann, 2007). Коль скоро есть некий ядерный ген, кодирующий белок, который функционирует в митохондрии, функционально избыточные митохондриальные гены могут быть утрачены без каких-либо вредных последствий. Эта избыточность создает другой храповик, который направляет митохондрии прямо на путь редуктивной эволюции, притом что ядерный геном постоянно подвергается воздействию ДНК из лизированных эндосимбионтов, приводя к многочисленным «отборочным соревнованиям» для переноса каждого гена эндосимбионта в ядерный геном. Конечный результат: огромное большинство белков, функционирующих в митохондриях, кодируется ядерным геномом, и только те гены, которые непременно должны экспрессироваться внутри митохондрии для ее собственного функционирования (см. обсуждение выше в этой главе), остаются в геноме органеллы. Та же самая схема сохраняется для других эндосимбионтов, в частности для пластид. Конечно, редуктивная эволюция также приводит к необратимой утрате многих генов эндосимбионта, которые оказываются избыточны без необходимости привлечения белков хозяина, поскольку сама функция этих белков становится несущественной для эндосимбионта или потому, что метаболиты хозяина, такие как нуклеотиды и аминокислоты, импортируются в эндосимбионт, устраняя необходимость в соответствующих метаболических путях. Эндосимбионты с существенно редуцированным геномом вытеснили эндосимбионтов с большими геномами просто-напросто из-за быстрой репликации генома и соответственно быстрого деления, и таким образом редукция генома зафиксировалась в ходе эволюции.
Приписывание единственной все объясняющей причины любому крупному эволюционному сдвигу неизбежно будет недопустимым упрощением и эпистемологической ошибкой, поскольку «причины» вообще являются конструктами человеческого сознания (см. прил. I). Тем не менее я уверен, что согласованность между многими ключевыми эукариотическими нововведениями, легко интерпретируемая как ответ на эндосимбиоз, и в частности на атаки происходящих из эндосимбионта мобильных элементов, слишком убедительна, чтобы отказаться от нее как от беспочвенной фантазии. Такой сценарий, даже если он не является фальсифицируемым в целом (см. прил. I), тем не менее включает частные фальсифицируемые предсказания и стимулирует новые эксперименты. Действительно, с тех пор, как мы с Биллом Мартином предложили нашу версию эндосимбиогенетического сценария, в которой центральная роль отводится интронам группы II (Martin and Koonin, 2006a), она выдержала две весьма жесткие проверки на фальсифицируемость. Одна из них – открытие сопряжения транскрипции и трансляции у Archaea (French et al., 2007). И еще более показательная проверка – определение структуры интрона группы II, которая не оставляет места серьезным сомнениям по поводу происхождения сплайсосомных интронов от прокариотических ретроэлементов, что воспринималось как спекуляция в то время, когда наша гипотеза была сформулирована (Toor et al., 2008).
Еще одно направление экспериментальных исследований могло бы сконцентрироваться на необычных бактериях, таких как Planctomycetes, которые обладают внутриклеточными компартментами, заключающими в себе хромосому (Fuerst, 2005). Конечно, эти организмы – прокариоты по всем критериям[65]. Более того, сравнительный анализ геномов показывает, что они не кодируют гомологов белковых субъединиц комплекса ядерной поры (Mans et al., 2004). Наша модель предсказывает, что, хотя Planctomycetes и некоторые родственные бактерии обладают «ядроподобным» компартментом, у них сохраняется сопряжение транскрипции и трансляции, типичное для прокариот. Это означает, что функциональные рибосомы входят в «ядерный» компартмент и инициируют трансляцию матричных РНК еще до завершения их транскрипции, или же образующиеся молекулы мРНК одновременно с транскрипцией выталкиваются через отверстия в стенках компартмента.
Если, напротив, эксперименты покажут, что у «ядерных» бактерий транскрипция разобщена с трансляцией, то это будет серьезным возражением против нашей модели. Немедленным ee опровержением было бы открытие ныне существующих архезой, то есть свободноживущих эукариот, не имеющих никаких признаков МПО, однако обладающих всеми остальными типичными признаками эукариотической клеточной организации. (Паразит с сильно редуцированным геномом, однако, не будет здесь убедительным примером.) Вероятность того, что архезои будут однажды открыты, уменьшается с каждым случаем обнаружения еще одной группы простейших, не имеющих нормальных митохондрий, но все-таки содержащих МПО.
Удивительная история эукариотических интронов
«Кусочное» (экзон-интронное) строение белок-кодирующих (и некоторых РНК-кодирующих) генов эукариот – поистине удивительная черта (она не всегда кажется нам таковой только потому, что нам так привычна концепция сплайсинга, да и открыта она, на момент написания этой книги, более 30 лет назад). Почему гены разрываются множеством некодирующих участков, большинство которых не выполняет никаких видимых функций и вырезается из транскрипта сложной молекулярной машиной (предназначенной специально для этой цели) только для того, чтобы быть разрушенными? Кажется, это превосходит все, что может нарисовать себе самое смелое воображение. Когда интроны были открыты в 1977 году, Уолтер Гилберт[66] немедленно выступил с привлекательной «гипотезой ранних интронов», послужившей основой так называемой «экзонной теории генов» (Gilbert, 1978). Вкратце, Гилберт предположил, что интроны сопутствовали жизни на самых ранних этапах эволюции и играли ключевую роль в эволюции белок-кодирующих генов, позволяя соединять короткие последовательности, кодирующие первичные пептиды, путем рекомбинации ближайших некодирующих последовательностей. Вслед за формулировкой этой идеи последовали 20 лет попыток подтвердить существование первичных интронов путем анализа разнообразных признаков интронов ныне существующих (de Souza et al., 1998). Мы не станем описывать здесь эту борьбу; достаточно лишь сказать, что убедительных свидетельств найдено не было. Безусловно, гипотеза ранних интронов не поддерживается тем фактом, что у прокариот не обнаружены сплайсосомы и интроны сплайсосомного типа, хотя Гилберт и его коллеги утверждают, что это результат эволюционного упрощения. Возможно, самый серьезный аргумент против «ранних интронов» – это обнаружение предковой связи между бактериальными самосплайсирующимися интронами и сплайсосомными интронами. Из этого открытия следует, что, даже если на самых ранних стадиях эволюции жизни существовали интроны (мы еще вернемся к этому моменту в гл. 10 и 11), эти интроны были совершенно не такими, как современные сплайсосомные интроны, и последние не могут нести какую-либо «память» о первичной эволюции. Сплайсосомные интроны и вся система сплайсинга, таким образом, суть чисто эукариотические черты из тех, что определяют «эукариотическое состояние».
