Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Moreira, D., and P. Lopez-Garcia. (2009) Ten Reasons to Exclude Viruses from the Tree of Life. Nature Reviews Microbiology 7: 306–311.
Морейра и Лопес-Гарсия утверждают, что, так как вирусы – облигатные внутриклеточные паразиты и не кодируют всю информацию, необходимую для собственной репликации, у них, по сути, отсутствует самостоятельная эволюционная история, они несущественны для понимания эволюции клеток и не должны считаться «живыми». Ряд последовавших писем в Nature Review Microbiology, включая наше с коллегами, оспаривает эти положения (исключая метафизическую проблему «бытия живым»), демонстрируя эволюционные связи между большими группами вирусов и широкое распространение генов-сигнатур по миру вирусов.
Raoult D., and P. Forterre. (2008) Redefining Viruses: Lessons from Mimivirus. Nature Reviews Microbiology 6: 315–319.
Отталкиваясь от открытия гигантских вирусов, Рауль и Фортер описывают два фундаментальных типа организмов: капсид-кодирующие организмы (вирусы) и организмы, кодирующие рибосомы (клеточные формы жизни). Однако эта классификация игнорирует многочисленные эволюционные связи между полноценными вирусами и различными мобильными элементами, у которых отсутствует капсид.
Van Etten J. L., L. C. Lane, and D. D. Dunigan. (2010) DNA Viruses: The Really Big Ones (Giruses). Annual Review of Microbiology 64: 83–99.
Открытие гигантских вирусов (иногда называемых «гирусами») в классе NCDLV размыло границы между вирусами и клетками в отношении размера генома и подчеркнуло роль ГПГ в эволюции крупных вирусов.
Глава 11. Последний универсальный общий предок, происхождение клеток и первичный резервуар генов
В предыдущих главах мы рассмотрели фундаментальные аспекты эволюции прокариот и эукариот, выделив древний мир вирусов и таким образом заложив фундамент для обсуждения ключевого момента в эволюции жизни, клеточной организации и разных типов клеток. Как точно предсказал Дарвин (Darwin, 1859) и вполне подтвердила сравнительная геномика, все дошедшие до нас клетки произошли от одного общего предка, который стал известен как LUCA (Last Universal Common Ancestor – последний общий предок всего живого)[113]. Тем не менее не существует единого мнения о природе этого общего предка и о том, насколько походят на него современные клетки. Приводились как аргументы в пользу того, что LUCA был неотличим от современных прокариот, так и сценарии, описывающие LUCA как намного более примитивный организм (Glansdorff et al., 2008).
Трудность этой проблемы невозможно переоценить. Действительно, все известные нам клетки отличаются сложностью и исключительным совершенством организации. Самые простые клеточные формы жизни, бактериальные (и единственный известный архейный) паразиты и симбионты (см. гл. 5), очевидно, произошли в результате деградации более сложных организмов, однако даже они обладают несколькими сотнями генов, кодирующими компоненты высокоразвитой мембраны, системы репликации, транскрипции и трансляции, сложный аппарат деления клетки и по крайней мере несколько центральных метаболических путей. Как мы уже обсуждали, самые простые из свободноживущих клеточных организмов намного сложнее, с геномом размером не менее 1300 генов. Единственные известные автономно воспроизводящиеся агенты, которые существенно проще, чем клетки, – это вирусы, но они являются облигатными внутриклеточными паразитами и среди них не находится ничего похожего на промежуточную стадию между клеткой и вирусом (в каком бы направлении ни шла эволюция от одних к другим). Таким образом, принимая во внимание принципы omnis cellula e cellula и omnis virus e virus, требуются какие-то радикально новые решения: принцип униформизма неприменим к происхождению клеток, которое было событием, фундаментально отличающимся от знакомых нам эволюционных процессов. Итак, здесь мы обсудим прежде всего реконструкцию генного состава LUCA и выводы о происхождении клеток, следующие из этой реконструкции.
Сравнительно-геномная реконструкция генного репертуара LUCA
Почему мы уверены, что LUCA существовал? Есть множество аргументов, поддерживающих предположение о существовании LUCA, и самым сильным из них является сохранившаяся в универсальном (одинаковом для всех организмов) виде система экспрессии генов. Действительно, все известные нам клеточные формы жизни используют один и тот же генетический код (20 универсальных аминокислот и стоп-сигналов, закодированных в 64 кодонах), и небольшие отклонения содержатся лишь в сильно деградировавших геномах бактериальных паразитов и органелл. Все клетки используют одинаковые рибосомы, которые состоят из трех универсально консервативных молекул РНК и примерно 50 белков, из которых 20 универсальны. В дополнение к этому, универсально сохраняющиеся компоненты системы трансляции включают около 30 транспортных РНК, несколько факторов трансляции, 18 аминоацил-тРНК-синтетаз и несколько тРНК-модифицирующих ферментов (Anantharaman et al., 2002). За пределами системы трансляции универсально консервативны только гены трех субъединиц РНК-полимеразы. Таким образом, существует всего около 100 универсально сохранившихся генов, и все они участвуют в экспрессии генов (случается, что некоторые из этих генов, особенно те, что кодируют малые рибосомные белки, отсутствуют в аннотациях вновь расшифрованных геномов [Charlebois and Doolittle, 2004]; однако, скорее всего, эти исчезновения являются ошибками расшифровки или аннотации, а не реальными потерями в геноме). Мы уже знакомы с этими (почти) универсальными генами из главы 6, где мы наблюдали весьма сходные (хотя и не тождественные) топологии их филогенетических деревьев. Универсальное сохранение генетического кода и механизма экспрессии и единство эволюционных судеб его компонентов не оставляют места для сомнений в том, что эта система является наследством некоей формы LUCA. Основной вопрос состоит, таким образом, не в том, существовал ли LUCA, а в том, каким он был, о каких свойствах этой системы мы можем сделать выводы с достаточной уверенностью, а какие (пока что) остаются неясными[114].
Ясно, что ни один организм, даже самый примитивный, не может состоять из одних механизмов экспрессии, так что необходима реконструкция остальной части генного репертуара LUCA. И методы реконструкции, и их подводные камни здесь те же, что были описаны в главах 5 и 7. В контексте эволюции прокариот, которая важна для реконструкции LUCA, следует рассматривать три типа элементарных событий: (1) «рождение» гена – появление нового гена, обычно в процессе генной дупликации, за которой следует радикальная дивергенция; (2) обогащение генами за счет ГПГ; и (3) утрата гена. Напомним, что надежной реконструкции пути эволюции и наборов предковых генов препятствует неточность, связанная с относительными вероятностями событий и скоростями разных процессов, в особенности разница скоростей утраты генов и ГПГ. В принципе даже ген, найденный во всех современных клеточных формах жизни, может не быть унаследован от LUCA: его универсальность может быть последствием многочисленных горизонтальных переносов. Более того, предположения о генном содержании предковых форм, основанные на принципе наибольшей экономии и даже наибольшего правдоподобия, консервативны, и неясно, насколько они недооценивают результат. Вопреки всем сложностям и неточностям эволюционных реконструкций, анализ наибольшей экономии совместно с менее формальными попытками реконструкции далекого прошлого конкретных функциональных систем не оставляет серьезных сомнений в том, что LUCA уже содержал несколько сотен генов (Mirkin et al., 2003; Ouzounis et al., 2006; Snel et al., 2002). В дополнение к вышеупомянутой «золотой сотне» генов, участвующих в экспрессии, этот разнообразный генный комплект состоит из множества метаболических ферментов, включающих как пути основного энергетического обмена и биосинтеза аминокислот, нуклеотидов и коферментов, так и некоторые важные белки мембран, такие как субъединицы частицы узнавания сигналов (SRP) и H+-АТФазы.
Однако в реконструкции генного состава LUCA по-прежнему зияют дыры. Более всего удивляет (1) отсутствие ключевых компонентов механизма репликации ДНК, а именно полимераз, ответственных за инициацию (праймазы) и элонгацию репликации ДНК и заполнение лакун после удаления праймера, а также основных геликаз (Leipe et al., 1999); и (2) отсутствие основных ферментов липидного биосинтеза (Pereto et al., 2004). Эти незаменимые белки не попадают в реконструированный генный репертуар, поскольку данные процессы у бактерий и архей катализируются разными, неродственными ферментами, а в случае мембранных фосфолипидов еще и образуют химически разные мембраны[115].
Таким образом, реконструированный генный набор LUCA исключительно неоднороден: в то время как отдельные системы по своей сложности почти не отличаются от аналогичных систем существующих организмов, другие системы выглядят рудиментарными или вовсе отсутствуют. Столь странная картина напоминает концепцию асинхронной «кристаллизации» различных клеточных систем на ранних стадиях эволюции, которую предложил Карл Вёзе (Woese, 1998), и подсказывает, что нужно взглянуть на проблему LUCA с более общих позиций.
