Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Микробам – горизонтальный перенос, высшим организмам – половое размножение

Рассмотренные примеры говорят о пользе скрещивания и перемешивания генов при половом размножении. Но у бактерий и архей вместо настоящего амфимиксиса работает горизонтальный перенос. Будет ли секс и в этом случае выполнять ту же функцию – быстро приспосабливать организмы к изменившимся условиям? Если это так, то ГПГ у микробов должен быть очень широко распространен и практиковаться не только между популяциями, но главным образом между особями одной популяции. Полезный аллель, который легко позаимствовать, скорее всего, окажется у близкого собрата.

Традиционно преобладала точка зрения, что отбор у бактерий все-таки в основном клональный, действующий на уровне целых геномов. Это значит, что ГПГ не играет существенной роли в повседневных «попытках» прокариот приспособиться к изменчивой среде. Эта гипотеза теперь, при нынешнем развитии биотехнологий, легко проверяема. Такой труд взяли на себя биологи из Массачусетского технологического института: они показали, что традиционная точка зрения неверна или верна только отчасти и что в своей повседневной переменчивой жизни микробы то и дело заимствуют гены у своих ближайших родичей – других микробов той же популяции (Shapiro et al., 2012).

Биологи работали с двумя популяциями морских планктонных бактерий Vibrio cyclitrophicus. Эти популяции, обозначаемые буквами L и S, находятся в процессе адаптации к разным экологическим нишам: часть бактерий приурочена к крупным (L), а другая – к мелким (S) частицам, отфильтрованным из морской воды. Результаты генетического анализа говорят о том, что разошлись они недавно (Hunt et al., 2008). По-видимому, популяции L и S приспосабливаются к жизни на разных представителях зоо– или фитопланктона^[41].

Авторы решили выяснить, какой из двух процессов преобладает на начальных этапах экологической дифференциации – отбор отдельных генов с удачными мутациями, которые распространяются за счет ГПГ, или клональный отбор, работающий с целыми геномами.

Различить эти две ситуации можно, сравнив внутри– и межпопуляционный генетический полиморфизм (вариабельность) изучаемых популяций. Если преобладает отбор на уровне генов, две популяции должны четко отличаться друг от друга по небольшому числу генов – тех, от которых зависят экологические свойства популяций. При этом различающиеся участки генома должны иметь пониженный уровень внутрипопуляционного полиморфизма хотя бы в одной из двух популяций. Ведь на каждый такой участок действовал отбор, который поддерживал какой-то один вариант этого участка, вытесняя из генофонда другие его варианты (см. раздел «Следы естественного отбора» в главе 2). Напротив, те участки генома, которые у двух популяций сходны, должны быть более полиморфными в пределах каждой популяции, причем наборы вариантов (аллелей) могут быть одинаковыми в двух популяциях. Ведь отбор, связанный с приспособлением к новой нише, на них не действовал и они могли сохранить исходный полиморфизм, накопленный предками.

Если же в процессе расхождения популяций преобладал клональный отбор, то и уровень полиморфизма, и генетические различия между популяциями должны быть распределены по геному более равномерно.

Авторы отсеквенировали геномы 13 бактерий из популяции L и семи особей из популяции S. Сравнение геномов подтвердило первую версию: в недавней эволюции двух бактериальных популяций явно преобладал отбор на уровне отдельных генов. Следовательно, имел место интенсивный ГПГ между родственными микробами. Вот некоторые факты, на которых основан этот вывод.

Обнаружено 725 нуклеотидных позиций, в которых у микробов L всегда стоит какой-то один нуклеотид, а у микробов S – другой. Эти 725 позиций назвали «экоснипами» (ecoSNPs^[42]), поскольку именно они, скорее всего, отвечают за приспособление к различающимся условиям. Экоснипы не рассеяны по геному хаотически, а сгруппированы в 11 кластеров. Внутри каждого кластера хотя бы у одной из двух популяций наблюдается пониженный уровень полиморфизма, что свидетельствует о недавнем действии положительного отбора.

Все прочие SNP (полиморфные нуклеотидные позиции), в числе 28 744 штук, равномерно рассеяны по геному и варьируют сходным образом и у L-экотипа, и у S-экотипа. Например, в какой-то позиции нуклеотид Ц может стоять у шести, а нуклеотид Г – у семи бактерий L, тогда как в популяции S нуклеотид Ц обнаружен у трех бактерий, а Г – у четырех.

Это соответствует предположению о том, что отбор в сочетании с ГПГ распространял отдельные участки ДНК с удачными мутациями, а не целые геномы. При этом в остальных участках генома сохранялся исходный полиморфизм, имевшийся у предковой популяции.

Другой важный вывод состоит в том, что генетический обмен между популяциями в последнее время происходит редко по сравнению с обменом внутри популяций. В прошлом, когда популяции еще не окончательно разошлись по экологическим нишам, межпопуляционный обмен происходил чаще.

Модель экологической дифференциации двух популяций морской бактерии Vibrio cyclitrophicus. Тонкие белые и черные стрелки символизируют внутри– и межпопуляционный ГПГ. Толстые стрелки показывают появление (в результате мутации или ГПГ) адаптивных аллелей, облегчающих жизнь в двух разных местообитаниях. Из Shapiro et al., 2012.

Стало быть, пора пересмотреть некоторые устоявшиеся представления. Во-первых, выясняется, что на генетическом уровне эволюционные процессы у прокариот с их ГПГ и эукариот, размножающихся половым путем, различаются не так уж сильно. В обоих случаях отбор идет в основном на уровне отдельных фрагментов ДНК, а не целых геномов.

Во-вторых, стало ясно, что генетический обмен между родственными микробами (представителями одной и той же популяции) идет очень активно, фактически выполняя ту же функцию, что и половой процесс у высших организмов. При этом важнейшую роль играет гомологичная рекомбинация, благодаря которой заимствованные гены не добавляются к уже имеющимся, а заменяют собой свои «старые версии».

В-третьих, высокая частота внутрипопуляционного ГПГ по сравнению с межпопуляционным говорит о том, что у бактерий, приспосабливающихся к разным экологическим нишам, формируется частичная репродуктивная изоляция – совсем как у высших организмов в процессе симпатрического видообразования (см. главу 6). Эта изоляция основана не только на том, что микробы с разными адаптациями живут в разных местах и поэтому редко встречаются, но и на том, что по мере накопления нуклеотидных различий снижается вероятность гомологичной рекомбинации. По-видимому, прокариот все-таки нельзя считать «единым сверхполиморфным видом» (как предлагали некоторые теоретики, исходившие из предположения, что микробы обмениваются генами с кем попало независимо от степени родства). У прокариот, как и у высших организмов, могут существовать частично изолированные популяционные генофонды.

Что же касается случаев ГПГ между неродственными микробами, то они, по-видимому, представляют собой лишь вершину айсберга – легко обнаруживаемый и имеющий важные эволюционные последствия, но все-таки сравнительно редкий побочный эффект способности микробов заимствовать гены у своей ближайшей родни.

Получены и другие данные, указывающие на неожиданно высокие темпы внутривидового ГПГ и гомологичной рекомбинации у бактерий (Fell et al., 2000; Takuno et al., 2012; Yahara et al., 2012) и архей (Papke et al., 2004). Конечно, интенсивность генетического обмена у них все равно гораздо ниже той, что характерна для эукариот, практикующих амфимиксис. Главный вывод из этих работ состоит в том, что секс у прокариот играет, по-видимому, ту же роль, что и у эукариот. Он повышает адаптационные возможности организмов путем разрушения связей между полезными и вредными мутациями и позволяет отбору работать с отдельными генами, а не с целыми геномами. Более того, благодаря положительной корреляции между сходством последовательностей ДНК и вероятностью гомологичной рекомбинации (напомним, что это исходный, предковый механизм выбора брачного партнера) (Majewski et al., 2000; Dubnau, 1999; Thomas, Nielsen, 2005) у микробов формируются хорошо перемешанные видовые генофонды, к которым приложимы классические популяционно-генетические подходы (Jeltsch, 2003).

Даже родственные микробы, живущие в одних и тех же местообитаниях, могут подразделяться на популяции с полуизолированными генофондами, подобные «биологическим видам» эукариот. Это показано не только для морских бактерий Vibrio, но и для других микробов – например, для совместно встречающихся разновидностей архебактерий Ferroplasma^[43] (Eppley et al., 2007).

От горизонтального переноса генов к половому размножению

Горизонтальный перенос генов был всегда. Как ни парадоксально, он мог появиться даже раньше самой жизни! На это указывают результаты исследований, проводимых в рамках теории РНК-мира (о ней рассказано в «Рождении сложности»).

Моментом зарождения жизни логично считать момент появления первого репликатора – сообщества молекул РНК, помогавших друг другу размножаться. Чем больше мы узнаем о свойствах рибозимов (молекул РНК, способных выполнять активную «работу» подобно белковым ферментам), тем яснее становится, что рибозимы – великие мастера по части разрезания, перекомбинирования и сшивания фрагментов РНК, т. е. по части рекомбинации. Репликация, или матричный синтез, – сборка комплементарных молекул РНК из отдельных нуклеотидов – дается им с гораздо большим трудом. Скорее всего, размножение первых репликаторов было основано не столько на матричном синтезе – репликации РНК, сколько на рекомбинации – сборке молекул, комплементарных матрице, из подходящих фрагментов – олигонуклеотидов (Vaidya et al., 2012).

Без постоянного обмена участками между рибозимами эволюция жизни, наверное, даже не смогла бы стартовать. Поэтому мы и сказали, что секс, возможно, появился раньше жизни! Но об этих увлекательных предметах можно написать еще одну книгу, поэтому сейчас мы только попробуем разобраться с происхождением «настоящего» полового размножения – эукариотического амфимиксиса.

Хотя параллели между ГПГ и амфимиксисом очевидны, эти явления обычно считают аналогичными, но не гомологичными. То есть сходными, но имеющими разное происхождение.

Однако есть основания предполагать, что половое размножение могло напрямую произойти от прокариотического ГПГ. Возможно, амфимиксис является закономерным итогом эволюции механизмов ГПГ. Попробуем обосновать эту гипотезу.

Прежде всего нужно выяснить, когда появился амфимиксис. Традиционно считалось, что первые эукариоты были бесполыми (апомиктическими) и размножались простым делением. Иными словами, постулировалось существование предковых апомиктических эукариот, которые затем постепенно приобрели амфимиксис, пройдя через те или иные промежуточные этапы (Margulis, Sagan, 1986; Kondrashov, 1994).

Среди современных одноклеточных эукариот есть группы (воротничковые жгутиконосцы – предки животных, обыкновенные амебы и другие), представители которых никогда не размножаются половым путем – только простым делением. Думали, что по крайней мере часть этих бесполых групп являются первично-бесполыми, т. е. не утратившими половое размножение, а никогда его не имевшими. Однако в геномах всех этих групп нашлись «генетические рудименты» – следы наличия амфимиксиса в прошлом (Schurko et al., 2009). Похоже, все современные эукариоты происходят от предков, практиковавших амфимиксис. Это позволяет предположить, что появление амфимиксиса предшествовало появлению эукариот или, может быть, оба события произошли одновременно.

Напомним, что «колыбелью» эукариотической клетки были древние микробные сообщества (бактериальные маты), а большой красной кнопкой, запустившей конвейер формирования эукариот, стал, вероятно, переход цианобактерий к кислородному фотосинтезу (Марков, 2010). Для тогдашних живых существ кислород был ядом. Примерно 2,4–2,2 млрд лет назад произошла «великая кислородная революция», изменившая облик планеты. Атмосфера и гидросфера насытились кислородом, химические элементы перешли из восстановленных форм в окисленные. Многие микробы тогда вымерли, другие сохранились только в анаэробных (бескислородных) убежищах, а остальные приспособились к новому яду, причем разные прокариоты сделали это по-разному. Фотосинтезирующие бактерии выработали систему обезвреживания кислорода на основе молекулярных систем фотосинтеза (электроннотранспортных цепей) – так появилось кислородное дыхание. Другие бактерии приобрели другие защитные средства. Что касается предков эукариот, то они, по-видимому, поначалу спасались благодаря активному заимствованию чужих генов. В их эволюции был период необычайно интенсивного ГПГ. Они не только позаимствовали у соседей по микробному сообществу набор ферментов, позволяющих жить в присутствии кислорода, но и приобрели способность комфортно обустраивать в своих клетках симбионтов. В конце концов предки эукариот вступили в симбиоз с аэробной (дышащей кислородом) бактерией, которая дала начало митохондриям.

Таким образом, предки эукариот заимствовали много генов у неродственных микробов. Мы знаем, что у современных микробов в ходе ГПГ «незаконная рекомбинация» происходит реже, чем гомологичная, а у неродственных микроорганизмов гены заимствуются реже, чем у близких форм. Отсюда вывод: если предки эукариот активно заимствовали гены у неродственников, то со «своими» они, скорее всего, менялись генами еще чаще.

Мы предполагаем, что амфимиксис развился параллельно со становлением эукариотической клетки – как естественный итог развития механизмов ГПГ в условиях, когда отбор способствовал росту интенсивности генетического обмена. Чтобы пояснить эту мысль, нужно ответить на два ключевых вопроса. Начнем по порядку.

1. ПОЧЕМУ ОТБОР, ДЕЙСТВОВАВШИЙ НА ПРЕДКОВ ЭУКАРИОТ, ДОЛЖЕН БЫЛ СПОСОБСТВОВАТЬ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ГЕНЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА МЕЖДУ РОДСТВЕННИКАМИ?

Мы уже знаем, что секс полезен, потому что помогает отбору избавляться от вредных мутаций и накапливать полезные. К этому нужно добавить, что полезные эффекты проявляются тем сильнее, чем больший процент генов подвергается «перетасовке» и обмену в каждом поколении. Если вы обмениваете 50 % своих генов (как эукариоты при половом размножении), это надежнее защитит вас от вырождения, чем при обмене 1 % или 10 % генов (а прокариоты едва ли способны на большее).

Что касается протоэукариот, то они подвергались особенно сильному риску генетического вырождения. Во-первых, на ранних этапах «кислородной революции» кислород в микробных сообществах уже появился, а озонового слоя в атмосфере еще не было. Следовательно, поверхность планеты и те мелководья, где жили цианобактериальные маты – колыбель эукариот, подвергались интенсивному ультрафиолетовому облучению. В присутствии кислорода под действием ультрафиолета образуются АФК (активные формы кислорода) – сильнейшие мутагены. Скорость мутирования должна была решительно вырасти, что повышало риск вырождения (ведь вредных мутаций всегда возникает намного больше, чем полезных).

Во-вторых, у протоэукариот по сравнению с их предками археями резко увеличился геном – точнее, его «полезная» часть, мутации в которой влияют на приспособленность. Он сложился из архейного генома и геномов прижившихся симбионтов. Между тем известно, что угроза генетического вырождения быстро растет по мере увеличения генома. Чем больше геном, тем больше в нем возникает вредных мутаций в каждом поколении (при неизменной скорости мутирования в расчете на нуклеотид).

Таким образом, угроза генетического вырождения должна была встать перед древними эукариотами в полный рост. Поскольку секс прекрасно защищает от этой угрозы, отбор должен был содействовать адептам сексуальной революции, делая генетический обмен все более интенсивным.

2. ПОЧЕМУ ОТБОР НА ИНТЕНСИФИКАЦИЮ ГПГ СПРОВОЦИРОВАЛ ПЕРЕХОД К АМФИМИКСИСУ?

Прокариотический секс не может достичь оптимальной (т. е. высокой) интенсивности по нескольким причинам. Среди них и риск приобретения неподходящих фрагментов ДНК, и засилье эгоистических элементов, контролирующих ГПГ, – таких как конъюгационные плазмиды, «заботящиеся» больше о собственном распространении, чем об интересах хозяина. Но самая удивительная (и возможно, важнейшая) причина в другом. Она связана с конфликтом интересов^[44] между генами, участвующими в гомологичной рекомбинации. Когда бактерия заглатывает кусок ДНК и заменяет им гомологичный фрагмент собственной хромосомы, то это выгодно заимствованному фрагменту (он получает шанс размножиться), но в высшей степени невыгодно заменяемому фрагменту собственной хромосомы бактерии. Ведь он обречен на гибель, он будет разобран на нуклеотиды и не перейдет в следующее поколение.

Способность к активному заимствованию чужих генов (трансформации), как и другие признаки, находится под генетическим контролем. Иными словами, мутации могут влиять на частоту трансформации. Допустим, у бактерии есть ген (назовем его tr), от состояния которого зависит эта частота. Такие гены называют модификаторами. Ген tr – модификатор трансформации. У него есть два аллельных варианта: tr+ и tr−. Бактерии с аллелем tr+ заимствуют чужие гомологичные гены и заменяют ими свои собственные. Бактерии с аллелем tr− этого не делают. Трансформация полезна – она дает все преимущества, о которых мы говорили выше. Какой же из двух аллелей победит в конкуренции? Какой из них зафиксируется, а какой элиминируется?

Моделирование показывает, что если бы ген tr сам не участвовал в трансформации, то непременно зафиксировался бы аллель tr+. Что и неудивительно, ведь он полезен.

К несчастью (для микробов), защитить его от трансформации практически нереально. Если уж бактерия меняет свои гены, то и ген – модификатор трансформации tr тоже будет подлежать обмену. А теперь – внимание! – самое интересное. Аллель tr+ в результате трансформации будет систематически заменяться аллелем tr−. А вот в обратную сторону генетический обмен работать не будет: ведь бактерии с аллелем tr− не трансформируются.

Получается, что аллель tr+ – это ген-самоубийца. Он будет то и дело замещать себя своим конкурентом – аллелем tr−. «Хитрым» аллелем, который и другим генам не дает трансформироваться, но и себя никем не замещает.

Аллель tr− яркий пример эгоистичного гена. Его частота в генофонде популяции будет расти вопреки тому, что он вреден. Он вреден ровно в той мере, в какой при данных условиях полезен секс. Аллель tr− снижает приспособленность и особей, и популяции в целом, но все равно наращивает свою численность в генофонде – просто потому, что не практикует гибельное самозамещение, как его конкурент tr+, полезный всем, кроме самого себя.

В результате частота самой интересной и перспективной разновидности прокариотического секса (трансформации с гомологичной рекомбинацией) вынуждена оставаться низкой – гораздо ниже того уровня, который обеспечивает наилучшую защиту от вырождения. «Суицидальный эффект» генов – модификаторов трансформации не позволяет горизонтальному переносу генов достичь оптимального уровня интенсивности.

Та же логика работает и в отношении другого способа прокариотического секса – конъюгации. Мы не будем утомлять читателей детальной аргументацией этого тезиса: просто примите на веру или проверьте сами при помощи компьютерного моделирования или по литературным данным (обратите при этом внимание на хитрые адаптации, выработанные конъюгационными плазмидами для предотвращения попадания в зараженную клетку других плазмид – эти адпатации аналогичны нашему аллелю tr−).

Итак, налицо классический эволюционный тупик. Микробам с разросшимися геномами, подвергающимся к тому же воздействию сильных мутагенов, было бы выгодно перейти к более интенсивному генетическому обмену. Но они не могут этого сделать из-за конфликта интересов между теми генами, которые подлежат замене и уничтожению в ходе гомологичной рекомбинации, и геномом в целом. Интересы последнего совпадают с интересами особи и популяции, но все тщетно: отбор на уровне генов берет верх и над индивидуальным, и над групповым отбором.

Можно ли устранить конфликт интересов? Очевидно, для этого нужно сделать так, чтобы заменяемые гены не шли «на выброс», не погибали, а сохраняли в полной мере свой шанс перейти к потомкам. Тогда отбор уже не будет поддерживать возникающие в них мутации, препятствующие сексу. Но как этого добиться?

Вдумчивые читатели, наверное, уже догадались, что переход к амфимиксису – полногеномному взаимному генетическому обмену – как раз и является спасительным выходом из тупика.

В прокариотическом ГПГ участвуют один целый геном и обрывок другого. После обмена гомологичными участками остается опять-таки один целый (обновленный) геном и ненужные обрывки, которые некуда пристроить, которые годны только на запчасти-нуклеотиды. Для них все кончено, они уже не перейдут к потомкам. Любая мутация, защищающая ген от такой безысходной судьбы, получает шанс распространиться.

В полногеномном взаимном обмене участвуют два целых генома. После обмена гомологичными участками остается по-прежнему два целых генома. Это совсем другое дело! Теперь клетка, в которой находятся эти геномы, может просто поделиться, отправив в каждую из дочерних клеток по одному геному^[45]. Еще и на репликации сэкономит, а главное – никто не обижен, никто не идет на выброс. Следовательно, нет и оснований для распространения мутаций, защищающих гены от рекомбинации.

Только переход к полногеномному взаимному генетическому обмену мог сделать интенсивную межорганизменную рекомбинацию эволюционно стабильной, т. е. защищенной от эгоистичных аллелей, подобных tr−. Именно это, как мы думаем, и произошло у древних эукариот.

Промежуточным звеном на пути от ГПГ к амфимиксису могла стать взаимная конъюгация с образованием цитоплазматических мостиков и рекомбинацией геномной ДНК двух клеток (Gross, Bhattacharya, 2010). Нечто похожее на такое промежуточное звено, а именно конъюгация с образованием цитоплазматических мостиков, передачей геномной ДНК и с возможностью каждой клетки быть как донором, так и реципиентом, обнаружено у галофильных (солелюбивых) архей Haloferax (Halobacterium) volcanii (Rosenshine et al., 1989; Ortenberg et al., 1998).

Итак, половое размножение эукариот, возможно, является не просто аналогом, а прямым наследником прокариотического секса.