Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Таблица 9–1. Ламарковские и квазиламарковские явления.
Рис. 9–3. Давление среды и переход от дарвиновского к ламарковскому режиму. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.
В целом сравнение между дарвиновским и ламарковским сценариями предполагает, что эволюция представляет собой континуум процессов, от совершенно случайных до истинно адаптивных, которые тонко регулируются для обеспечения определенного ответа на конкретный стимул. Принципиальный вывод, напрашивающийся по итогам многих новейших исследований, упомянутых в этой главе, состоит в том, что изменчивость генома предстает гораздо более сложным явлением, чем это казалось ранее, и регулируется сразу на нескольких уровнях, для того чтобы обеспечить адаптивную реакцию на изменения в окружающей среде. Устранение конфликта между ламарковским и дарвиновским эволюционными сценариями, обладая далеко не только историческим значением, влияет на наши фундаментальные взгляды на роль и место случайности в эволюции. Это представляется подлинной, хоть и недооцениваемой, сменой парадигмы в современной биологии.
Точность передачи информации в биологических системах и ее (не)адаптивная эволюция
Эволюция жизни целиком основана на процессах передачи дискретной информации – между поколениями путем репликации генома и от генома к эффекторным молекулам (РНК и белкам) – как описано в главе 2. Не существует канала передачи информации, свободного от ошибок, как впервые математически сформулировал Клод Шеннон, создавший теорию информации, связав процесс передачи информации с законами термодинамики. Как отмечалось в главе 2, точность репликации генома не должна быть ниже определенного минимума; соответственно, частота мутаций не должна превышать определенный порог, чтобы избежать мутационного вырождения популяции. Очевидно, что частота мутаций не может быть и слишком низкой, дабы оставить возможность хотя бы для минимальной эволюционируемости (потенциала для эволюции – см. обсуждение в следующем разделе). Менее ясно, важен ли этот нижний предел практически в реальных биологических системах. Таким образом, фундаментальный вопрос сводится к следующему: каким образом отбор контролирует частоту мутаций (если он это действительно делает)? Точнее, удерживает ли очищающий отбор частоту мутаций просто ниже порога вырождения, или же происходит по крайней мере, для некоторых организмов и, возможно, в особых ситуациях, отбор на достаточно высокую частоту мутаций, чтобы обеспечить сырье для эволюции?
Отбор на приемлемую точность репликации (и, более глобально, всех процессов передачи информации) является одним из центральных аспектов эволюции. Это непосредственно видно из того огромного разнообразия, сложности и многоуровневой организации репарационных систем, которые обнаруживаются во всех клеточных формах жизни (Aravind et al., 1999; Friedberg et al., 2005). У прокариот до 10 процентов кодирующей емкости генома могут быть заняты компонентами систем репарации, которые действуют на всех этапах репликации ДНК, а также устраняют различные мутационные повреждения, происходящие за пределами процесса репликации. С другой стороны, существует класс репликаторов, у которых (практически) отсутствуют механизмы исправления повреждений; это РНК-содержащие вирусы. Действительно, эти вирусы демонстрируют чрезвычайно высокий уровень ошибок включения нуклеотидов и общий уровень мутаций, явление, хорошо известное в связи с важностью для медицины быстрой эволюции вирусов гриппа и ВИЧ (Holmes, 2009). Эти вирусы, по-видимому, эволюционируют не слишком далеко от порога мутационного вырождения (Drake and Holland, 1999). Все РНК-вирусы обладают небольшими геномами (менее 30 Кб), что отчасти является следствием физической хрупкости длинных молекул РНК, но также связано с отсутствием репарационных механизмов. (Можно было бы утверждать, что сложные системы репарации в таких вирусах не могли развиться, потому что они не были бы выгодны, учитывая фундаментальную нестабильность генома.) На самом деле РНК-содержащие вирусы с самыми большими геномами (вирусы отряда Nidovirales), по всей видимости, обладают различными, хотя и простыми, системами репарации (Eckerle et al., 2007). Кроме того, открытие РНК-деметилаз в геномах различных растительных РНК-содержащих вирусов означает, что даже в этих простейших геномах репарация может эволюционировать, когда вирус распространяется в условиях повышенного давления окружающей среды (Aravind and Koonin, 2001; van den Born et al., 2008).
В рамках концепции мутационного вырождения возникает естественная мысль, что частота мутаций на нуклеотид должна быть обратно пропорциональна размеру генома организма, так чтобы число мутаций на геном на поколение оставалось примерно постоянным. Ян Дрейк первым выразил эту идею явным образом, и потому ее часто называют гипотезой Дрейка (Drake, 1991). Гипотеза Дрейка довольно хорошо работает для вирусов и прокариот. Однако изучение новейших данных, проведенное Майклом Линчем, неожиданно (по крайней мере, на первый взгляд) выявило противоположную зависимость у эукариот: скорость мутирования в расчете на нуклеотид положительно коррелирует с размером генома (Lynch, 2010). Следуя в русле неадаптивной теории эволюции сложности, Линч показал, что небольшое повышение частоты мутаций не будет «замечено» очищающим отбором в небольших популяциях, которые типичны для многоклеточных эукариот, и, соответственно, не может элиминироваться в ходе эволюции этих организмов. Отсюда появляется «полуадаптивная» гипотеза эволюции мутационного фона: существует селективное давление на понижение частоты мутаций ниже порога вырождения и чуть дальше, поскольку за счет этого популяция становится более устойчивой, однако не на окончательную минимизацию частоты мутаций. В соответствии с этой гипотезой отбора, который бы препятствовал падению частоты мутаций ниже любого минимального значения, не существует; частота мутаций остается относительно высокой по чисто стохастическим причинам (см. также следующие разделы в этой главе).
Однако ситуация не столь проста, как видно из результатов долгосрочных экспериментов с эволюционирующими популяциями кишечной палочки, проведенных Ричардом Ленски и его коллегами. Эти эксперименты показывают, что интенсивный отбор на адаптацию бактериальных популяций к новой среде часто ведет к появлению аллелей-мутаторов (иными словами, бактерий с повышенной частотой мутаций в связи с повреждением одного из ферментов репарации), которые вытесняют предыдущие поколения с низкими показателями мутаций (Sniegowski et al., 1997). Если быть более точным, представляется, что аллели-мутаторы достигают значительного распространения в популяции и даже фиксируются за счет тесного сцепления с адаптивными мутациями, вызываемыми этими мутаторами. Однако, когда внешнее селективное давление убрано, мутаторы становятся невыгодными и вымываются отбором (Denamur and Matic, 2006). Эти результаты приводят к важному обобщению: в зависимости от целого ряда факторов, таких как экологический стресс и эффективный размер популяции, отбор на низкую или высокую частоту мутаций может происходить и происходит в действительности.
Частота ошибок транскрипции гораздо выше, нежели частота ошибок репликации, а ошибки трансляции случаются еще более часто (см. рис. 9–4). Хотя экспериментальные измерения уровня ошибок включения аминокислот в ходе трансляции немногочисленны и ограничены несколькими модельными системами, все же ясно, что точность трансляции удивительно низка. В самом деле, частота встраивания ошибочных аминокислот составляет 10-4—10-5 – любопытно, что она близка к частоте ошибок репликации у РНК-вирусов. Получается, что около 20 процентов белковых молекул, синтезируемых в любой из клеток, содержат по меньшей мере одну неверную аминокислоту (Drummond and Wilke, 2009). Последствия ошибок транскрипции и трансляции, иногда метко называемых фенотипическими мутациями, очевидно, менее критичны, чем последствия генетических мутаций, по той причине, что фенотипические мутации, как правило, не наследуются (существуют примечательные исключения, например обратная транскрипция с последующим включением в геном ДНК-копии ошибочно транскрибируемой РНК; Burger et al., 2006). Учитывая сравнительно короткий срок жизни любой РНК или белковой молекулы, никакая фенотипическая мутация сама по себе не может оказать серьезного влияния на выживаемость, поэтому неудивительно, что для фенотипических мутаций допустимы гораздо более высокие частоты ошибок, чем для генетических мутаций. Однако столь же очевидно, что чрезмерно высокие темпы фенотипических мутаций несовместимы с жизнью. А значит, как и в случае с системами репарации ДНК, многочисленные механизмы, служащие для отслеживания ошибок транскрипции и трансляции, безусловно, существуют. Было показано, что коррекционная активность ДНК-зависимой РНК-полимеразы уменьшает процент ошибок на несколько порядков (Alic et al., 2007; Sydow and Cramer, 2009). Кроме того, также были открыты остающиеся пока слабоизученными процессы посттранскрипционного исправления ошибок метилирования в РНК (Begley and Samson, 2003; Falnes, 2005). Вероятно, из механизмов, контролирующих частоту фенотипических мутаций, лучше всего исследована коррекция аминоацил-тРНК-син тетазой (АРСазой), при которой молекулы аминоацил-тРНК, связанные с ошибочными аминокислотами, гидролизуются и утилизируются (Hussain et al., 2010; Ling et al., 2007). Упомянутая коррекция АРСазой дополняется рибосомной коррекцией на следующей стадии трансляции, при которой рибосома отбраковывает ошибочно связанные тРНК (Blanchard et al., 2004; Daviter et al., 2006). Однако значительное увеличение надежности трансляции, по-видимому, вступает в противоречие с требованием высокой скорости синтеза белка. Существенное повышение точности трансляции может быть легко достигнуто путем мутации конкретных позиций в рРНК или в рибосомных белках, но эти мутации оказываются вредными для клеток, по-видимому, из-за медленной трансляции (Dong and Kurland, 1995; Johansson et al., 2008).
