Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий
Американские биологи нашли бактериальный ген (его условное обозначение — rscS), играющий ключевую роль в содружестве бактерий с кальмарами (Mandel et al., 2009). Ген rscS кодирует белок-рецептор, который располагается на клеточной мембране, реагирует на какие-то внешние сигналы и передает их внутрь клетки, активизируя другой белок — транскрипционный фактор SypG.
В свою очередь SypG стимулирует активность группы генов, которые кодируют белки, необходимые для синтеза особых полисахаридов, которые выводятся из бактериальной клетки и располагаются на ее наружной поверхности. От этих полисахаридов зависит способность бактерий размножаться в слизи, выделяемой кальмаром.
Чтобы проверить способность разных штаммов V. fischeri вступать в симбиоз с кальмарами, исследователи выводили маленьких кальмарчиков в стерилизованной воде, а затем обмывали их растворами, содержащими разные штаммы светящегося микроба. Было проверено в общей сложности 12 «кальмарных» и 10 «рыбных» линий. Как и следовало ожидать, все кальмарные линии успешно прижились в кальмарах (кальмары вскоре стали светиться), тогда как из «рыбных» линий это сумела сделать только одна. Затем все линии были проверены на наличие гена rscS. Оказалось, что у этого гена есть два аллельных варианта (rscSA и rscSB), причем только аллель rscSA позволяет бактерии вступить в симбиоз с кальмаром. Именно этот вариант гена присутствует у всех «кальмарных» штаммов и у того «рыбного» штамма, который сумел наладить отношения с кальмаром. У остальных рыбных штаммов либо присутствует второй вариант гена (rscSB), либо ген вовсе отсутствует. Дополнительные генно-инженерные опыты подтвердили, что наличие аллеля rscSA у V. fischeri является необходимым и достаточным условием симбиоза с кальмарами.
На основе сравнения нуклеотидных последовательностей трех других генов исследователи построили эволюционное дерево изученных штаммов микроба. Судя по этому дереву, изначально V. fischeri не имел гена rscS и жил в симбиозе только с рыбами. Затем один из штаммов микроба приобрел этот ген. Все штаммы, имеющие ген rscS, образуют на дереве монофилетическую (происходящую от одного предка) группу. Это означает, что ген был приобретен только один раз. Сначала он существовал в единственном варианте — rscSA. Некоторые из потомков того микроба, который впервые обзавелся новым геном, покинули своих прежних хозяев — рыб — и перешли к симбиозу с кальмарами. Впоследствии кое-кто из них вернулся к симбиозу с рыбами, причем это возвращение сопровождалось изменениями в гене rscS. Так появился второй вариант этого гена — rscSB, который, возможно, улучшает «взаимопонимание» между микробами и рыбами, хотя проверить это пока не удалось.
Откуда же взялся у светящихся бактерий новый ген rscS? Теоретически он мог быть приобретен либо путем дупликации с последующим приобретением новой функции, либо путем горизонтального генетического переноса. Второй вариант вероятнее, потому что в геноме светящегося микроба нет других генов, сколько-нибудь похожих на rscS. У какого организма был заимствован ген, пока неизвестно: разнообразие морских микробов огромно и фактически только начинает изучаться.
Авторы отмечают, что это первый известный случай, когда главным «действующим лицом» во взаимном узнавании симбионтов оказался регуляторный ген. Как говорилось выше, этот ген запускает синтез специфических полисахаридов в ответ на какие-то внешние сигналы. Скорее всего, в роли этих сигналов выступают вещества, выделяемые кальмаром. Сама же система синтеза полисахаридов имелась у микробов задолго до приобретения гена rscS. Не исключено, что у «рыбных» штаммов она включается в ответ на вещества, выделяемые рыбами, но это еще предстоит проверить.
—————
Горький привкус победы, или Как дрожжи заплатили за успех
Эволюция — вечный поиск компромисса между противоречивыми требованиями, предъявляемыми организму сложной и переменчивой средой. В эволюции, как и в экономике, не бывает (ну, почти не бывает) «бесплатных обедов»: чтобы приобрести что-то одно, приходится отказаться от чего-то другого — либо от уже существующих полезных признаков, либо от возможности их приобретения в будущем. Второй вариант встречается чаще, поскольку отбор не заглядывает в будущее и не замечает таких потерь. Но и первый вариант нередок. К приобретению симбионтов это тоже относится: чтобы принять ценного гостя, порой приходится поступиться чем-то важным, например средствами защиты от похожих, но вредных «гостей».
РНК-интерференция — распространенный у эукариот защитный противовирусный механизм. Ключевую роль в РНК-интерференции играют белки Dicer и Argonaute. Система срабатывает, когда в клетке появляются двухцепочечные молекулы РНК (обычно это означает, что клетка заражена вирусом). Белок Dicer атакует двухцепочечную РНК и вырезает из нее короткие фрагменты, которые присоединяются к белку Argonaute. Образовавшийся комплекс из белка и короткой РНК находит и уничтожает любые молекулы РНК, содержащие такую же последовательность нуклеотидов, как в коротком фрагменте.
РНК-интерференция используется в экспериментах как удобный способ «выключения» генов. Достаточно ввести в клетку искусственно синтезированные двухцепочечные молекулы РНК с последовательностью нуклеотидов, соответствующей фрагменту какого-нибудь гена, чтобы все матричные РНК, считанные клеткой с этого гена, были уничтожены. В результате ген оказывается фактически выключенным: кодируемый им белок не синтезируется.
Эта замечательная методика, однако, неприменима к одному классическому лабораторному объекту — пекарским дрожжам Saccharomyces cerevisae. Этот вид дрожжей и несколько его ближайших родственников не имеют системы РНК-интерференции. Правда, недавно американские биологи обнаружили, что этот недостаток можно исправить. Для этого достаточно пересадить дрожжам гены белков Dicer и Argonaute от чуть более дальнего родственника — S. castellii, у которого система РНК-интерференции находится в рабочем состоянии. Действующую систему РНК-интерференции обнаружили и у других родственных видов (Drinnenberg et al., 2009). Это значит, что у предков пекарских дрожжей система тоже была исправна и по эволюционным меркам «сломалась» лишь недавно.
Что же заставило пекарские дрожжи отказаться от противовирусной защиты? Или, говоря более корректным языком, почему отбор не отсеял мутации, нарушившие работу системы РНК-интерференции у предков S. cerevisae?
Чтобы ответить на этот вопрос, авторы, ранее открывшие РНК-интерференцию у S. castellii, провели эксперименты с пекарскими дрожжами, у которых способность к РНК-интерференции была восстановлена путем пересадки двух генов от S. castellii. Генно-модифицированные дрожжи выращивали на 50 разных средах. Везде они размножались с такой же скоростью, что и «дикие» дрожжи без РНК-интерференции.
Зато обнаружилось, что S. cerevisae с восстановленной способностью к РНК-интерференции быстро теряют свой симбиотический вирус, который живет в их цитоплазме в виде комплекса из нескольких двухцепочечных молекул РНК. Этот вирус, известный под названием killer (убийца), содержит в своем геноме ген токсичного белка и одновременно защищает клетку, в которой находится, от действия токсина. Яд выделяется дрожжами в окружающую среду и убивает те дрожжевые клетки, у которых нет симбиотического вируса-убийцы. Это классическая система «яд — противоядие», которую используют многие симбионты и паразиты, чтобы повысить конкурентоспособность хозяина (как в данном случае) или чтобы не дать ему от себя избавиться.
РНК-интерференция разрушает двухцепочечную РНК вируса-убийцы. В результате дрожжи теряют способность вытеснять конкурентов, не имеющих вируса-убийцы, и становятся беззащитными перед конкурентами, у которых такой вирус есть. Таким образом, отсутствие РНК-интерференции дает дрожжам преимущество, позволяя им содержать в своих клетках полезный вирус.
Применимы ли эти выводы к другим грибам? Авторы провели целенаправленный поиск генов РНК-интерференции в геномах грибов, у которых есть вирусы-убийцы, а также поиск таких вирусов у грибов, о которых уже было известно, что РНК-интерференция у них есть.
Выяснилось, что между наличием вирусов-убийц и РНК-интерференции существует строгая отрицательная зависимость. У всех видов, имеющих вирусы-убийцы, нет РНК-интерференции. При этом родственные виды могут обладать РНК-интерференцией, но тогда у них наверняка нет вирусов-убийц.
