Перспективы отбора

У первого потомка нет ни одной работающей копии гена C, а второму не досталось рабочих копий гена A. Заметим, что при наличии митоза этой проблемы не было бы: оба потомка имели бы точно такой же генотип, как у родительской клетки, и жили бы припеваючи.

Поскольку полиплоидность приводит к вырождению не сразу, а сначала дает сильное преимущество, она может стать своеобразной “эволюционной ловушкой” для прокариот в мутагенной среде. Если разрешить модельным микробам иногда при делении распределять хромосомы не поровну, то есть менять свою плоидность, то полиплоиды сначала быстро вытесняют моноплоидов, а затем сами деградируют и вымирают. Это происходит даже в том случае, если подавляющее большинство клеток в исходной популяции – облигатные моноплоиды и лишь немногие клетки способны иногда производить потомков, имеющих на одну хромосому больше. Полиплоидность распространяется как инфекция – и приводит популяцию к гибели. При тех же параметрах популяция, состоящая только из облигатных моноплоидов, может жить неопределенно долго.

Четыре способа защиты полиплоидов от вырождения. Чтобы выжить, такие полиплоиды должны выработать специальные адаптации, замедляющие накопление вредных мутаций. Они могут использовать для этого как минимум четыре разные стратегии. Вот тут-то и начинается самое интересное. Дело в том, что все эти четыре способа защиты полиплоидных прокариот от вырождения подозрительно напоминают те или иные аспекты эукариотического секса.

Первый способ – “циклы плоидности”. Можно периодически сбрасывать уровень плоидности, например, делясь чаще, чем происходит репликация хромосом. Если заниматься этим достаточно интенсивно, то в популяции будет постоянно присутствовать (или периодически возникать) заметная доля моноплоидов, у которых все вредные рецессивные мутации проявляются в фенотипе и потому эффективно вычищаются отбором.

Второй способ – внутригеномная рекомбинация, то есть перетасовка генетической информации между хромосомами. Есть два основных варианта такой рекомбинации. Первый вариант называется генной конверсией. В этом случае фрагмент одной хромосомы копируется в гомологичный участок другой, причем аллели, находящиеся на второй хромосоме, “затираются” аллелями первой. Интенсивная генная конверсия ведет к унификации копий генома. Любая новая мутация либо быстро затирается и исчезает, либо распространяется на все хромосомы, переходит в гомозиготное состояние и становится видимой для отбора. Моделирование показывает, что генная конверсия, если ее интенсивность существенно превышает темп мутагенеза, может спасти полиплоидную популяцию от вырождения.

Полиплоидные галофильные и метаногенные археи активно используют генную конверсию, предположительно, именно для того, чтобы унифицировать свои хромосомы и тем самым защититься от вырождения. Эту стратегию, вероятно, с той же целью применяют и пластиды растений (они тоже полиплоидные и не имеют митоза).

Второй вариант внутригеномной рекомбинации – кроссинговер. В этом случае гомологичные участки двух хромосом не затирают друг друга, а меняются местами. Кроссинговер не может ни уничтожить вредную мутацию, ни перевести ее в гомозиготное состояние. Поэтому сам по себе он бесполезен для полиплоидных микробов, но в сочетании с ГПГ дает сильный положительный эффект (см. ниже).

Третий способ – интенсивный генетический обмен (ГПГ) между близкородственными клетками. Моделирование показывает, что горизонтальный перенос генов (такой, как на рис. 5.1) хорошо защищает полиплоидов от вырождения, особенно если осуществляется с высокой частотой. Полиплоидные археи действительно меняются друг с другом генами на полную катушку. Эволюционный эффект интенсивного близкородственного ГПГ в целом такой же, как у эукариотического секса (мы рассказывали об этом в книге “Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий”). Интересно, что кроссинговер, бесполезный для популяций, не практикующих ГПГ, оказывается очень полезен для микробов, периодически заимствующих гены друг у друга.

Польза, приносимая ГПГ, имеет ту же природу, что и польза, приносимая половым размножением: оба процесса позволяют отбору отделять полезные аллели от вредных, эффективно закрепляя первые и выбраковывая вторые (см. Исследование № 7). При этом ГПГ тем полезнее, чем чаще он происходит. При высоком темпе мутирования это особенно актуально. Однако у прокариотического ГПГ есть встроенный конструктивный дефект, не позволяющий этому процессу достигать оптимальной (то есть высокой) частоты. Дефект кроется в асимметричности (“нечестности”) прокариотического ГПГ, которую хорошо иллюстрирует рис. 5.1. На рисунке видно, что чужой (донорский) аллель B заместил и уничтожил аллель b в геноме реципиента. Ситуация, когда свои аллели систематически замещаются чужими, может оказаться эволюционно нестабильной. Чтобы понять это, нужно подумать о судьбе генов, влияющих на интенсивность (частоту) захвата чужой ДНК и замещения собственных аллелей чужими. Допустим, у такого гена есть два аллеля: один способствует ГПГ, другой препятствует. Какой из них победит в конкуренции? Моделирование показывает, что аллели, препятствующие ГПГ, могут распространяться в генофонде и вытеснять аллели, способствующие ГПГ, несмотря на всю пользу, которую получают от ГПГ отдельные организмы и популяция в целом. Ведь аллели, способствующие ГПГ, будут то и дело “затираться” конкурирующими аллелями, которые ГПГ блокируют. А вот в обратную сторону замещение происходить не будет – аллели, блокирующие захват чужой ДНК и замещение фрагментов своей хромосомы чужими, не будут затираться как раз потому, что они блокируют ГПГ. В результате аллели, препятствующие ГПГ, будут вести себя как “эгоистичные гены”, наращивая свою частоту в генофонде, – несмотря на то, что это вредно для особей и популяции в целом.

Могут ли полиплоидные микробы обойти это препятствие, чтобы получить возможность осуществлять межорганизменный генетический обмен с высокой частотой? По-видимому, да. Для этого им нужно, во-первых, начать обмениваться не кусочками хромосом, а целыми хромосомами, и во-вторых – отказаться от асимметричной генной конверсии, исключить “затирание” одних аллелей другими и использовать для перемешивания фрагментов хромосом только кроссинговер. Умеют ли полиплоидные археи меняться целыми хромосомами, точно не известно, но это представляется вполне вероятным, исходя из того, что известно о половом процессе у Haloferax.

С кроссинговером, правда, возникает еще одна проблема: кольцевые хромосомы плохо для него подходят. При нечетном числе перекрестов они не могут нормально разойтись после рекомбинации и превращаются в одно большое кольцо. Поэтому, если вы хотите часто использовать кроссинговер, вам нужно отказаться от кольцевых хромосом и заменить их линейными. Идея о том, что линейные хромосомы понадобились эукариотам именно для частого кроссинговера, а не для чего-то еще, уже высказывалась ранее рядом специалистов, и с ней трудно спорить, учитывая, что во всех прочих отношениях кольцевые хромосомы удобнее.

Четвертый способ, помогающий полиплоидным амитотическим микробам защититься от вырождения, – самый радикальный. Он состоит в том, чтобы изобрести митоз – механизм аккуратного и точного распределения хромосом по дочерним клеткам, гарантирующий, что каждый потомок получит ровно по одной копии каждой родительской хромосомы. Это моментально снимает все проблемы, связанные с накоплением сегрегационного груза.

После изобретения митоза все выгоды частого обмена хромосомами и кроссинговера сохраняются в полной мере. Поэтому у полиплоидных архей, научившихся аккуратно распределять хромосомы по дочерним клеткам, не было оснований отказываться от хромосомного обмена. Но со временем это закономерно привело к новому конфликту, для разрешения которого пришлось изобрести мейоз.

Изобретение митоза приводит к диверсификации хромосом, что порождает новые проблемы, для решения которых нужно изобрести мейоз. Неизбежным следствием изобретения митоза полиплоидными археями – предками эукариот – должна была стать быстрая диверсификация хромосом. Митоз снимает проблему сегрегационного груза, и поэтому избыточные копии генов, расположенные на разных хромосомах, получают небывалую эволюционную свободу. В рассматриваемой компьютерной модели они просто начинают деградировать, беспрепятственно накапливая вредные мутации, так что скоро у каждого гена остается только одна неиспорченная копия, расположенная на любой из хромосом. Каждая хромосома при этом становится уникальной и незаменимой, потому что те гены, которые остались на ней неиспорченными, безнадежно испорчены на всех остальных хромосомах.

В модели не предусмотрено приобретение генами новых функций. Однако это именно то, что наверняка будет происходить в подобной ситуации у реальных живых организмов. Многие избыточные гены будут потеряны или безнадежно испорчены прежде, чем в них возникнет полезная мутация, но многие поделят функции или выработают новые.

Таким образом, изобретение митоза фактически превращает полиплоидный организм в моноплоидный, обладающий несколькими разными хромосомами, с высоким уровнем генетической избыточности. Здесь уместно вспомнить, что множественные хромосомы и генетическая избыточность – характерные эукариотические черты, происхождение которых долго оставалось загадкой. Предложенная гипотеза дает им внятное историческое объяснение.

По мере того как хромосомы специализируются и становятся уникальными, унаследованные от предков способы свободного хромосомного обмена и рекомбинации становятся все менее выгодными, а затем и вовсе начинают вредить. Действительно, если все ваши хромосомы уникальны и незаменимы, вы уже не можете просто передать в другую клетку по цитоплазматическому мостику одну-две случайно выбранные хромосомы и получить какие-то другие взамен. Необходимо сделать обмен хромосомами и рекомбинацию более избирательными, чтобы в них участвовали только очень похожие (гомологичные) хромосомы. Моделирование подтверждает эти рассуждения. Кроме того, хорошо бы еще позаботиться о том, чтобы каждая хромосома принимала участие в рекомбинации с оптимальной частотой.

Очевидное решение проблемы состоит в развитии клеточного слияния (которое, возможно, уже имелось у предков эукариот, ведь его наличие предполагается у Haloferax) и спаривания гомологичных хромосом двух клеток с кроссинговером и последующим аккуратным распределением по дочерним клеткам. Важно, чтобы в ходе клеточного деления, следующего за попарной рекомбинацией хромосом, каждая дочерняя клетка получила строго по одной хромосоме из каждой гомологичной пары. Уже имеющийся механизм митоза служит идеальной заготовкой (преадаптацией) для эволюции такого клеточного деления. И вот они – сингамия и мейоз.

Изучение молекулярных механизмов мейоза уже давно привело специалистов к выводу, что мейоз наверняка развился на основе митоза. Также есть веские аргументы в пользу того, что эволюция мейоза началась с развития механизма спаривания гомологичных хромосом и что смысл этого новшества был не в том, чтобы повысить интенсивность рекомбинации, а в том, чтобы ограничить ее, запретив рекомбинацию между непохожими хромосомами (Wilkins, Holliday, 2009). Так что результаты моделирования хорошо согласуются с этой идеей и объясняют, откуда взялась потребность в такой адаптации.

Предлагаемый эволюционный сценарий.

1) Предки эукариот были полиплоидными археями, не имевшими митоза. Они жили в мутагенной среде на мелководьях во времена “кислородной революции”, когда на планете впервые стал расти уровень свободного кислорода. В таких условиях быть полиплоидом полезно в краткосрочной перспективе, но чревато вымиранием в долгосрочной.

2) Отбор способствовал выработке адаптаций, уменьшающих негативные эффекты полиплоидности при сохранении ее преимуществ. В результате выработался набор средств, снижающих риск вырождения полиплоидов в мутагенной среде: унификация хромосом путем генной конверсии, интенсивный горизонтальный перенос генов между родственниками (спаривание с образованием цитоплазматических мостиков, возможно – временное слияние клеток), циклы плоидности (периодические редукционные деления).

3) Поскольку эти относительно простые полумеры, по-видимому, не решили проблему полностью, в дальнейшем развивались еще более эффективные средства защиты от генетической деградации: обмен целыми хромосомами в сочетании с рекомбинацией, переход от конверсии к кроссинговеру (поскольку он эволюционно стабилен и позволяет осуществлять генетический обмен часто), замена кольцевых хромосом линейными.

4) Наконец, был изобретен митоз – аккуратное распределение хромосом при делении, так что каждая дочерняя клетка стала гарантированно получать ровно одну копию каждой родительской хромосомы. Это сразу сняло проблему сегрегационного груза. Однако обмен хромосомами в сочетании с кроссинговером по-прежнему был весьма полезен, так что у предков эукариот не было оснований от него отказываться.

5) Специализация и диверсификация хромосом, являющиеся неизбежным следствием изобретения митоза полиплоидами, постепенно вступили в конфликт со старыми способами безвыборочного генетического обмена и рекомбинации. Эти способы “устарели”, и отбор способствовал их модернизации. В результате развились механизмы, обеспечивающие обмен, спаривание и рекомбинацию только очень похожих (гомологичных) хромосом. В конечном счете это привело к развитию сингамии и мейоза, то есть настоящего эукариотического полового размножения.

6) Одновременно должно было происходить совершенствование механизмов выбора брачного партнера, поскольку, когда вы подходите к межорганизменной рекомбинации столь серьезно, спариваться с кем попало опасно. Подобно тому как хромосомы стали спариваться для обмена участками только с очень похожими хромосомами, клетки должны были начать спариваться только с клетками, имеющими такой же хромосомный набор. Результат – появление “биологических видов” с хорошо перемешиваемыми и в меру изолированными генофондами. Но пока механизмы выбора партнеров были еще несовершенны, эукариоты могли нахватать много генов от неродственных линий (что они, судя по всему, и сделали).

Испытание на прочность. Всякая гипотеза, чтобы получить признание, должна пройти проверку временем и новыми фактами. Это дело будущего. Впрочем, несколько испытаний гипотеза Маркова и Казначеева уже благополучно прошла.

Во-первых, в 2015 году, когда шла работа над моделью, появилось сообщение о том, что у архей обнаружена строгая корреляция между полиплоидностью и наличием гистонов (Spaans et al., 2015). То, что у некоторых архей есть гистоны, было известно давно, и этот факт всегда считался важным аргументом в пользу того, что предками эукариот были именно археи. Новые данные показывают, что этот аргумент приложим только к полиплоидным археям. Связь между гистонами и полиплоидностью, по-видимому, объясняется тем, что гистоны помогают упаковывать множество копий генома в одной маленькой прокариотической клетке. Плоидность ближайших прокариотических родственников эукариот – асгардархей – напрямую не измерялась, поскольку эти микробы известны только по геномным последовательностям. Однако в геномах представителей всех четырех типов асгардархей имеются гены гистонов. Значит, асгардархеи, скорее всего, полиплоиды.

Во-вторых, из гипотезы вытекает одно очень специфическое проверяемое следствие. Если эукариоты произошли от полиплоидных архей, которые приобрели митоз, это обязательно должно было привести к массовому появлению новых семейств близкородственных генов у базальных (примитивных) эукариот. Подобный процесс, как мы знаем, происходит у эукариот в результате полногеномных дупликаций. Если в геноме появляется множество “избыточных” копий генов, какие-то из них наверняка приобретут новые функции – и тогда вместо одного гена получится целое семейство похожих, но все же различающихся генов – так называемых паралогов. И что замечательно, сравнительная геномика подтверждает это предсказание: еще в 2005 году Евгений Кунин и его коллеги показали, что на заре эволюции эукариот был период массового приобретения новых семейств паралогичных генов (Makarova et al., 2005).

Так что пока все сходится, и эукариоты, возможно, действительно произошли от полиплоидных архей, которые изобрели митоз. Хотя не исключено, что будущие исследователи предложат еще более интересный и обоснованный сценарий.

Исследование № 6
За самцов переплачивают вдвое

Возможно, половое размножение возникло как средство защиты от вырождения в условиях критически высокого темпа мутирования. Но вот критический этап пройден, почему бы не избавиться от этого странного и громоздкого способа смешивания генов родителей в геномах потомков? В 1970-е годы Джон Мейнард Смит показал, что при выполнении ряда простых условий бесполое размножение должно давать двойной выигрыш по сравнению с раздельнополостью. Эта идея стимулировала поиск преимуществ полового размножения, которые должны перевешивать “двойную цену самцов” (см. Исследование № 7, а также нашу книгу “Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий”). Однако теории теориями, но как на деле измерить преимущества полового или бесполого размножения? Насколько идея Мейнарда Смита приложима к реальным, а не гипотетическим видам? Американским биологам удалось это проверить: для исследования они выбрали новозеландскую улитку – очень удобный объект, потому что у этого вида нормальные самки и самцы сосуществуют с “бесполыми” самками, размножающимися без помощи самцов. Оказалось, что если избавить улиток от хищников, паразитов и конкуренции, то доля бесполых особей растет в точности по Мейнарду Смиту. В природе раздельнополые улитки сохраняются благодаря паразитам, от которых особенно сильно страдают бесполые клоны, достигшие высокой численности. Таким образом, в данном случае раздельнополость сохраняется как средство защиты от жизненных неурядиц, как способ быстрее адаптироваться к быстро меняющимся неблагоприятным факторам.

Вопрос о том, зачем нужно половое размножение, интересовал эволюционистов еще в XIX веке. Новая вспышка интереса к этой теме в последние десятилетия во многом связана с идеей Джона Мейнарда Смита о “двойной цене пола”, или “двойной цене самцов”. Суть идеи в том, что если у какой-нибудь самки – представительницы обычного раздельнополого вида – произойдет мутация, позволяющая ей размножаться без помощи самцов, то при прочих равных условиях это даст ей и ее потомству двойной выигрыш в скорости размножения. Нормальная самка тратит половину своего репродуктивного потенциала на производство сыновей, которые сами не могут производить потомков, тогда как мутантная самка будет рожать исключительно дочерей, таких же самодостаточных, как и она сама. Поэтому потомство бесполой самки-мутанта должно быстро вытеснить конкурентов, продолжающих тратить силы на производство самцов. Если же в реальных раздельнополых популяциях половое размножение не вытесняется повсеместно бесполым, то это нетривиальный факт, требующий объяснений. Из него следует, что секс дает организмам какие-то очень важные преимущества, перевешивающие двойную цену самцов.

Пока эволюционисты увлеченно и успешно искали преимущества полового размножения, всеми как-то подзабылось, что исходное рассуждение Мейнарда Смита о двойной цене самцов, несмотря на свою логичность, является все же умозрительным построением, а не эмпирическим фактом. Опыт показывает, что реальность всегда сложнее и многограннее тех красивых теорий, на которых основан научный прогресс.

Модель “двойной цены самцов” основана на ряде допущений, из которых одни заключены в формулировке “при прочих равных условиях”, а другие должны оговариваться отдельно. Например, цена самцов не будет двойной (то есть половые особи не будут производить ровно вдвое меньше доживающих до зрелости самок, чем бесполые), если затраты на выращивание сыновей и дочерей неодинаковы. Цена самцов не будет двойной и в том случае, если переход к бесполому размножению связан с какими-то дополнительными выигрышами (например, с ростом плодовитости) или, наоборот, затратами (скажем, с пониженной выживаемостью потомства), то есть если не соблюдается равенство “прочих условий”. Например, отказ от секса позволяет сэкономить еще и на поиске и выборе партнеров; если экономия велика, цена самцов окажется выше. Анализ подобных отягчающих обстоятельств привел некоторых специалистов к мысли, что “двойная цена”, возможно, слишком далекая от реальности абстракция (Meirmans et al., 2012).

Для прояснения ситуации было бы неплохо непосредственно измерить “цену” самцов у реальных видов, но только непонятно, с какого конца за эту задачу браться. Американские биологи попытались ее решить, экспериментируя с замечательно подходящим для этой цели объектом – новозеландской пресноводной улиткой Potamopyrgus antipodarum (Gibson et al., 2017).

В природных популяциях этих улиток нормальные диплоидные самцы и самки сосуществуют с “бесполыми” триплоидными самками, размножающимися клонально (потомство генетически идентично матери). Бесполые самки не только не нуждаются в самцах для продолжения рода, но и физически не способны к половому размножению. Поэтому гены бесполых клонов не смешиваются с генофондом половой части популяции. Бесполые самки – родоначальницы новых клонов – изредка появляются в результате геномных мутаций.

Улитки P. antipodarum – инвазивный вид, расселившийся далеко за пределы Новой Зеландии, своей исторической родины. Интересно, что в водоемах Америки расплодились лишь бесполые представители вида, хотя в Новой Зеландии половые и бесполые особи сосуществуют, не вытесняя друг друга.

Главная причина, сдерживающая размножение бесполых улиток в пределах исходного ареала, хорошо известна. Это местные паразиты – трематоды рода Microphallus, для которых улитки P. antipodarum служат промежуточными хозяевами, а окончательными – водоплавающие птицы. Трематоды делают зараженную улитку бесплодной.

Половое размножение перемешивает и перекомбинирует защитные гены улиток, тогда как у бесполых клонов их комбинация остается одной и той же. Поэтому коэволюционирующие паразиты с трудом справляются с защитой половых особей, но быстро вырабатывают способность пробивать защиту наиболее массовых клонов, подрывая их численность. Здесь работает частотно-зависимый отбор: чем выше численность бесполого клона, тем выше его зараженность паразитами. Скорее всего, бесполые улитки стали безудержно размножаться в чужих краях именно потому, что там нет их главных врагов – специализированных паразитов-трематод.

Ученые решили измерить “цену самцов” у улиток в отсутствие таких осложняющих обстоятельств, как паразиты и хищники, заодно сведя к минимуму и внутривидовую конкуренцию. Для этого они проводили свои эксперименты в изолированных 1000-литровых емкостях, так называемых мезокосмах, где не было ни хищников, ни водоплавающих птиц, от которых улитки могли бы заразиться трематодами. Четыре сезона, с 2012 по 2015 год, южнополушарным летом (в январе) исследователи ловили диких улиток на побережье австралийского озера Александрина. Улов просеивали через сито с ячеей 1,7 мм, чтобы отобрать молодь, еще не успевшую нахватать паразитов.

Юных улиток, пойманных в разных точках побережья, смешивали в равных пропорциях, чтобы максимизировать генетическое разнообразие искусственных популяций. Затем наугад отбирали 800 особей и помещали в мезокосм. В течение первых двух недель улиток подкармливали водорослью спирулиной, после чего они должны были сами о себе заботиться, питаясь той растительностью, которая естественным образом росла в резервуаре. Большой объем мезокосма в сочетании с невысокой численностью и мелкими размерами улиток позволял надеяться, что конкуренция между особями за ресурсы будет минимальной. Каждый год заселялось по 6 мезокосмов. Таким образом, за четыре года эксперимент был повторен 24 раза.

Спустя год из резервуара извлекали всех улиток: “родителей”, которые успевали за это время подрасти и приступить к размножению, и их потомство, еще очень мелкое и легко отделяющееся от родителей в сите. Половых и бесполых особей различали при помощи проточной цитометрии (этот метод позволяет легко и быстро пересчитать клетки и оценить в каждой из них соотношение объемов ядра и цитоплазмы). В данном случае ученые воспользовались тем обстоятельством, что у триплоидных бесполых улиток в полтора раза больше ДНК в ядре каждой клетки и, соответственно, сами ядра крупнее, чем у диплоидных половых.

Основной результат исследования состоит в том, что в поколении потомков доля бесполых особей значительно увеличилась по сравнению с поколением родителей. Это значит, что улиткам действительно приходилось платить некую цену за половое размножение. И эта цена оказалась очень близка к двойной. По-видимому, в данной ситуации (в отсутствие паразитов и хищников и при минимальной конкуренции) все “прочие условия” (такие как плодовитость самок и жизнеспособность их потомства) действительно равны, как и предполагалось в исходном рассуждении Мейнарда Смита. В таком случае наблюдаемая разница в скорости размножения полностью объясняется тем, что половая часть популяции включает в себя самцов, которые сами потомства не производят, в отличие от бесполой части, представленной только самками.

Исследование показало, что идея Мейнарда Смита о двойной цене самцов – не пустая абстракция. Она адекватно описывает реальность – по крайней мере, в случае новозеландской улитки P. antipodarum. Поэтому половое размножение, чтобы не исчезнуть в ходе эволюции, должно обеспечивать этим улиткам преимущество, как минимум равное цене самцов, то есть двойное. К счастью, нам уже известна природа этого преимущества (во всяком случае, важной его части): половое размножение помогает улиткам удерживать паритет в эволюционной гонке вооружений с паразитами. Если паразитов убрать, популяция P. antipodarum, по-видимому, быстро станет преимущественно бесполой. Возможно, доминирование бесполых особей продержится до того момента, пока не объявится какая-нибудь новая серьезная напасть, к которой нужно будет быстро адаптироваться.

Остается надеяться, что вскоре удастся провести аналогичные исследования и на других видах, у которых все может оказаться иначе.