Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Не отказывая модели липидных везикул в потенциальной важности, рассмотрим модель происхождения клеток из вирусного мира как начального состояния, эволюционирующего в сетях неорганических ячеек. Эта модель, возможно, встречает меньше проблем, чем модель липидных везикул, и содержит ряд привлекательных черт, в том числе возможный ключ к разгадке происхождения биологических мембран и биоэнергетики. Как и биологическая эволюция в целом, доклеточная эволюция, несомненно, обусловливалась сочетанием случайного дрейфа и естественного отбора. Возможности для дрейфа изобилуют в рамках этой модели; пожалуй, самым простым и очевидным примером будет «засев» пустой ячейки случайным генетическим элементом. Отбор сразу же выходит на сцену с появлением репликаторов (см. гл. 2) – первоначально, как сейчас предполагается, молекул РНК, реплицируемых рибозимами, а впоследствии, после появления трансляции, молекул РНК, реплицирующихся с помощью белков (см. гл. 12). Одним из центральных аспектов модели вирусоподобной компартментализированной доклеточной стадии эволюции является постепенный переход от отбора на уровне отдельных генетических элементов к отбору ансамблей таких элементов[119], кодирующих ферменты, непосредственно участвующие в репликации, а также белки, отвечающие за вспомогательные функции, такие как трансляция и синтез предшественников нуклеиновых кислот. Отбор на уровне ансамблей генетических элементов, очевидно, является одной из форм группового отбора, который сам по себе является предметом давних споров среди биологов-эволюционистов и иногда отбрасывается как выдумка. Не вдаваясь глубоко в теоретические построения, отметим, что начальная эволюция, от малых генетических элементов к большим геномам, сравнимым с геномами современных клеточных форм жизни, не представляется возможной без группового отбора в той или иной форме (Koonin and Martin, 2005). Исследуя математические модели, Э. Сатмари с коллегами продемонстрировали возможность группового отбора в ансамблях репликаторов, самовоспроизводящихся в разделенной на ячейки среде (Fontanari et al., 2006; Szathmary and Demeter, 1987). Некоторые из решений, возможно доступных ансамблям «эгоистичных кооператоров», известны из теории группового отбора. Наиболее очевидным и важным представляется взаимный альтруизм, когда члены группы реализуют взаимодополнительные функции, стимулирующие репродукцию друг друга[120]. Так, в первичном ансамбле генетический элемент, кодирующий репликазу, катализировал бы репликацию элементов, кодирующих, например, компоненты систем трансляции и синтеза предшественников, – то есть функции, способствующие его собственной репликации.
Ансамбли эгоистичных кооператоров могли возникать двумя (отнюдь не взаимоисключающими) путями: (1) физическим соединением генетических элементов и (2) компартментализацией. Первый путь представляет собой начало эволюции оперонов, включая супероперон, включающий гены рибосомых белков и субъединиц РНК-полимеразы, единственный массив генов, в значительной степени сохраненный между археями и бактериями (см. гл. 5). Путь компартментализации включает эволюцию вирусоподобных частиц, которые могли содержать достаточно стабильные наборы сегментов генома, напоминающие ныне существующие сегментированные РНК-вирусы. В отличие от клеток, вирусоподобные частицы с малыми геномами, в особенности широко распространенные икосаэдрические (сферические) капсиды, являются простыми симметричными структурами, которые во многих случаях формируются путем самосборки единственного белка капсида. Таким образом, весьма привлекательна идея о том, что простые вирусоподобные частицы были первой формой настоящей, биологической компартментализации и играли большую роль на доклеточной стадии эволюции. В дополнение к преимуществам компартментализации, вирусоподобные частицы могут защитить генетические элементы (особенно РНК) от деградации и могут служить транспортом для перемещения генов между ячейками и сетями.
Большая часть сферических вирусов с относительно сложными геномами обладает молекулярными механизмами для упаковки ДНК и РНК внутри капсида; по крайней мере в некоторых случаях эти молекулярные механизмы работают и в обратном направлении, обеспечивая экспорт вирусных транскриптов из капсидов (Rao and Feiss, 2008). Вирусные механизмы упаковки и экспорта используют моторные АТФазы как минимум трех известных семейств, которые, по-видимому, имеют общую архитектуру, формируя гексамерные каналы, по которым активно (то есть за счет энергии гидролиза АТФ) перемещаются молекулы ДНК или РНК. Примечательно, что одна из групп вирусных упаковочных АТФаз является ветвью суперсемейства FtsK-HerA, которое также включает в себя прокариотические АТФазы, ответственные за транспорт ДНК в дочерние клетки во время клеточного деления, в то время как другое семейство сходно с двигательными АТФазами бактериальных нитей (pili) (Iyer et al., 2004b). В имеющих мембраны вирионах многих вирусов аппарат упаковки перемещает ДНК и РНК как сквозь капсид, так и сквозь липидную мембрану вириона. Заманчиво предположить, что вирусные механизмы упаковки были эволюционными предшественниками клеточных насосов и двигательных АТФаз. H+(Na+) – АТФазы/АТФ-синтазы, важнейшие, универсальные мембранные ферменты, краеугольный камень современной клеточной энергетики, также образуют подобные гексамерные каналы и, возможно, появились как часть механизма упаковки и экспорта в некоем, до сих пор не описанном (возможно, вымершем) классе вирусоподобных агентов.
Мембраны ионных градиентно-зависимых АТФ-синтаз представляют собой удивительный молекулярный «электродвигатель», роторный мотор, который переводит ионный градиент в механическую энергию вращения, а затем в химическую энергию β-γ-фосфодиэфирной связи АТФ. Анализ методами сравнительной геномики заставляет предположить, что предки двух основных ветвей мембранных АТФаз/синтаз, так называемые F-АТФазы, как правило обнаруживаемые в бактериях (и в эндосимбиотических органеллах эукариот), и V-АТФазы, характерные для архей и эндомембранных систем эукариот, произошли от общего предка, который функционировал как транслоказа белков или РНК (Mulkidjanian et al., 2007).
В предложенном эволюционном сценарии стадия транслоказы предваряет расхождение ветвей бактерий и архей, но мембранные АТФ-синтазы как таковые существенно различаются у архей и бактерий и, возможно, возникли дважды, независимо в разных ветвях клеточной жизни. Эти аналогии позволяют устремиться еще дальше в доклеточное эволюционное прошлое и предположить происхождение этой древней транслоказы от РНК-геликазы и мембранной поры или канала (см. рис. 11-3). Реконструкция эволюции мембранной АТФ-синтазы является основой для определения последовательности доклеточной эволюции: широкая диверсификация ферментов, содержащих петлю связывания фосфата (P-loop; см. гл. 12), которая породила, кроме множества АТФаз, еще и отдельное семейство РНК-геликаз (включающих бактериальный фактор терминации транскрипции Rho), произошла еще до развития мембранной энергетики, по крайней мере в той ее форме, которая наблюдается в современных клетках.
Весьма привлекательной кажется мысль о том, что, возможно, древнейшие вирусные мембраны могли быть промежуточными шагами в эволюции биологической компартментализации, что относит вглубь по исторической шкале время появления полноценных клеточных мембран. Действительно, в эволюции современных сложных мембран есть парадокс. Мембраны всех современных клеток являются исключительно изощренными устройствами: двойной липидный слой непроницаем даже для небольших молекул, а перенос молекул между внутриклеточным пространством клетки и внешним миром происходит при помощи мембранных белковых комплексов, таких как каналы, поры, транслоказы и вышеупомянутые градиент-зависимые АТФазы, ответственные за клеточную энергетику. Мембрана – это еще одна сложнейшая система, понимание происхождения которой сталкивается с классической дарвиновской проблемой: жизнеспособные промежуточные стадии сложно себе представить. «Дырявая» мембрана не может обеспечить целостность клеточного содержимого, в то время как непроницаемая мембрана будет бесполезна, поскольку не позволит импортировать строительные блоки для репликации. Вирусоподобные частицы могут разрешить этот парадокс, поскольку они получают выгоду от непроницаемой мембраны, если вирион снабжен транслоказой нуклеиновой кислоты[121]. Подобно тому как репликацию генома вирусоподобных объектов можно рассматривать как изначальный полигон для отработки репликационных стратегий, две из которых впоследствии были вовлечены в две основных линии клеточной жизни, вирусные частицы могли быть «лабораторией» для отработки молекулярных устройств, которые в дальнейшем встроились в мембраны развивающихся клеток.
