Текст книги "Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции"

Мобилом прокариот

Как отмечено в предыдущем разделе, вряд ли любой из членов КОГ принципиально обладает иммунитетом против ГПГ, но некоторые гены в этом отношении «более равны, чем другие». Существенная часть генетического материала прокариот состоит из эгоистичных элементов, для которых горизонтальная мобильность является основным режимом их распространения; совокупность таких элементов в свое время была метко названа мобиломом (Frost et al., 2005). Мы также обсуждаем мобилом в контексте мира вирусов (см. гл. 10), но, чтобы описать в общих чертах формирующееся логически последовательное представление об эволюции прокариот, мы должны здесь вкратце рассмотреть наиболее яркие свойства генетических элементов этого класса. Мобилом состоит из бактериофагов, плазмид, транспозонов и генов, которые часто ассоциируются с ними и регулярно становятся «пассажирами», в числе прочих, системы рестрикции-модификации (ОМ) и токсины-антитоксины (ТА). Это представляется вполне естественным, так как вирусы и плазмиды мобильны по определению, так же как и системы защиты. Мобилом неразрывно связан с «главными» хромосомами прокариот. Вирусы (бактериофаги) и многие плазмиды систематически интегрируются в хромосомы, либо обратимо, в этом случае они часто мобилизируют хромосомные гены, либо необратимо, когда мобильные элементы «одомашниваются», превращаясь в «обычные» гены, изначально ОРС (см. выше раздел «Фрактальное пространство-время генома, пангеномы и кластеризация прокариот»). Со времен классического эксперимента Жакоба и Волмана в 1950-х было хорошо известно, что конъюгативные плазмиды могут быть посредниками при перемещении больших фрагментов бактериальных хромосом, a вирусы (бактериофаги) давно известны как посредники при переносе генов путем трансдукции (Bushman, 2001). Открытие АПГ, которые, по-видимому, являются специализированными векторами для ГПГ, еще более убедительно подтверждает существование механизмов, регулирующих обмен генетическим материалом между мобиломом и хромосомами (Paul, 2008).

Перенос плазмидами устойчивости к антибиотикам и путей вторичного метаболизма является хрестоматийным примером динамики бактериальной мобиломы, но роль плазмид далеко не исчерпывается такими относительно узкими областями биологии. На самом деле граница между хромосомами и плазмидами весьма размыта. Плазмиды являются репликонами (обычно циркулярными, но иногда и линейными), которые, подобно хромосомам прокариот, имеют точку начала репликации и кодируют по крайней мере некоторые из белков, участвующих в собственной репликации и сегрегации (распределении реплицированных плазмид между дочерними клетками в процессе деления). Ключевые белки, вовлеченные в процессы сегрегации плазмид и хромосом, в частности АТФазы семейств FtsK/HerA, гомологичны во всем мире прокариот (а также обнаружены у многих вирусов – см. гл. 10), факт, который подчеркивает общность эволюционного происхождения и стратегий различных прокариотических репликонов (Iyer et al., 2004b; McGeoch and Bell, 2008).

«Канонические» геномы многих бактерий и архей включают, в дополнение к «главной» хромосоме (или хромосомам), один или больше неотъемлемых, относительно больших и стабильных внехромосомных элемента, часто называемых мегаплазмидами. Мегаплазмиды могут удивительно долго сохраняться в процессе эволюции. Например, единственная мегаплазмида бактерии Thermus thermophilis гомологична одному или двум мегаплазмидам бактерии Deinococcus radiodurans и, следовательно, произошла от общего предка этих родственных, но сильно разошедшихся бактерий (Omelchenko et al., 2005). Однако в процессе эволюции этой древней группы бактерий мегаплазмиды накопили (относительно своих размеров) намного больше отличий в составе генов, чем хромосомы. Кроме того, мегаплазмиды имеют много горизонтально перенесенных генов, включая гены термофильных организмов, которые, очевидно, были приобретены линией Thermus и важны для их термофильного стиля жизни. Таким образом, хотя мегаплазмиды могут существовать в геномах прокариот в течение продолжительного по эволюционным меркам времени, они демонстрируют большую эволюционную пластичность, чем хромосомы, и служат своеобразными «запасниками» для ГПГ.

Почти все секвенированные геномы прокариот содержат следы интеграции многочисленных плазмид и фагов. В частности, примечательно, что большинство геномов архей обладают несколькими версиями оперона herA-nurA, который кодирует ключевые компоненты (АТФазы и нуклеазы) механизма сегрегации плазмид после репликации. Каждый из этих оперонов является остатком отдельного репликона, таким образом, слияние репликонов, по-видимому, является у прокариот достаточно частым событием. В ходе эволюции такая интеграция могла быть важным фактором, который сформировал наблюдаемую архитектуру хромосом прокариот (Iyer et al., 2004b; McGeoch and Bell, 2008).

Системы защиты и ответа на стресс, в частности, рестрикции-модификации и системы токсин-антитоксин можно рассматривать в качестве особых частей мобилома. Сравнительный анализ этих систем выявил быструю эволюцию и частый ГПГ; кроме того, они часто обнаруживаются в геномах плазмид и бактериофагов. Несмотря на их громадное молекулярное разнообразие, эти системы работают на одном и том же принципе – каждая содержит токсин, то есть белок, который либо разрушает хромосомную ДНК (ферменты рестрикции), либо блокирует систему трансляции в результате гидролиза мРНК или тРНК (соотвествующие токсины обладают эндонуклеазной активностью, специфичной к РНК), либо убивает клетку, вызывая образование отверстий в мембране (Kobayashi, 2001; Van Melderen and Saavedra De Bast, 2009). Вызванная токсинами гибель клетки в случае использования систем рестрикции-модификации предотвращается специфическим метилированием ДНК, a в случае систем токсин-антитоксин путем нейтрализации токсина антитоксином. Эта нейтрализация достигается либо посредством взаимодействия двух белков (токсина и антитоксина), либо посредством подавления трансляции мРНК токсина комплементарной к ней малой РНК, которая в этом случае выполняет роль антитоксина. Эти системы обладают свойствами эгоистичных элементов, которые эволюционировали таким образом, чтобы сделать клетки хозяина зависимыми от них (addicted). Когда клетка теряет соответствующие гены, она обычно погибает либо в результате действия токсина, поскольку токсины более стабильны, чем антитоксины, так что их активность после деградации антитоксинов, запасы которых перестают восполняться, резко возрастает, либо из-за ослабления активности ферментов модификации в результате снижения их концентрации, в то время как рестриктазы сохраняют активность. Из-за этого свойства токсин-антитоксинных систем плазмиды, которые переносят токсин-антитоксинные гены и, таким образом, гарантируют, что их хозяева «подсядут» на них, убивая клетки, которые утратили плазмиды, получают сильное селективное преимущество перед плазмидами, не имеющими токсин-антитоксинных систем. Известные к настоящему времени токсин-антитоксинные системы, вероятно, представляют, как принято говорить, лишь вершину айсберга, так как геномы бактерий и архей несут большое количество различных оперонов, имеющих свойства, сближающие их с токсин-антитоксинными оперонами (а именно пара генов, кодирующих небольшие белки, которая появляется в одинаковой комбинации в различных геномах и геномных окружениях), но которые не были (пока) экспериментально исследованы (Makarova et al., 2009a).

Недавно был открыт еще один очень необычный класс систем мобильной защиты, который присутствует у большинства архей и примерно одной трети бактерий из числа секвенированных геномов (Deveau et al., 2010; Koonin and Makarova, 2009). Эта система состоит из массива коротких палиндромных повторов, регулярно расположенных группами (CRISPR), и включает в себя около 50 отдельных семейств генов (ассоциированных с CRISPR и обозначаемых cas (CRISPR-associated). Примечательно, что здесь мы сталкиваемся со вторым по размерам (после рибосомного супероперона) массивом связанных между собой генов (генетическим окружением) в геномах прокариот (Rogozin et al., 2002). Система CRISPR-Cas защищает клетки прокариот от фагов и плазмид «ламарковским путем» (мы вернемся к этому вопросу более подробно в гл. 9): фрагмент гена фага или плазмида интегрируется в локус CRISPR на бактериальной хромосоме и впоследствии транскрибируется и используется посредством все еще плохо изученных механизмов для подавления репликации эгоистичных агентов. Система CRISPR-Cas демонстрирует выдающуюся пластичность даже между близкородственными штаммами бактерий и архей, а также, по-видимому, часто переносится путем ГПГ.

Избранные примеры, обсуждавшиеся выше, указывают на огромное, все еще не до конца понятое разнообразие мобилома прокариот и подчеркивают значительный вклад, который мобилом вносит в эволюцию геномного пространства-времени прокариот.

Незаменимость ГПГ для эволюции прокариот

Вероятно, еще не все биологи осознают тот факт, что ГПГ является принципиально важным фактором эволюции прокариот и может, по-видимому, рассматриваться как необходимое условие долгосрочного выживания бактерий и архей. Любая популяция, у которой отсутствует рекомбинация генетического материала, в конечном счете имеет тенденцию к вымиранию, так как она не обладает эффективными средствами для устранения неизбежно накапливающихся вредных мутаций. Обычно преимущество популяций, у которых есть механизм полового размножения или его аналог, перед бесполыми приписывается механизму, известному как храповик Мёллера [Möller’s ratchet (Möller, 1964)]. Под действием храповика Мёллера накопление вредных мутаций в условиях отсутствия рекомбинации (одной из форм которой является половое размножение) приводит к постепенной потере приспособленности и гибели бесполой популяции. Эффект храповика Мёллера наиболее сильно проявляется в случае популяций небольшого размера из-за большой роли генетического дрейфа. Майкл Линч с сотрудниками разработали более подробную модель угасания бесполой популяции, известную как мутационная катастрофа (Lynch et al., 1993). С учетом того, что большинство мутаций являются (по меньшей мере) слабовредными, бесполая популяция входит в «нисходящую спираль» мутационной катастрофы, когда храповик Мёллера действует совместно с генетическим дрейфом. В этом случае размер популяции падает из-за подавления отбора, очищающего от вредных мутаций, что, в свою очередь, в итоге приводит к усилению генетического дрейфа и увеличению вероятности случайной фиксации дополнительных вредных мутаций. Таким образом, мутационная катастрофа, по-видимому, устанавливает пределы для размера генома и продолжительности существования популяций бесполых организмов.

Большинство прокариот не вовлечены в обычные половые отношения, хотя механизм, известный как «бактериальный секс», конъюгация, досконально описан. Однако конъюгация требует наличия специальной плазмиды (описанной в классических ранних экспериментах Вольмана – Жакоба, Ледерберга и Кавалли – Сфорца как F-фактор) или присутствия в хромосоме так называемых элементов интеграции и конъюгации, которые имеются далеко не у всех прокариот (Bushman, 2001). Среди хорошо изученных в настоящее время бактерий конъюгация известна лишь у меньшинства, а у архей она и вовсе не обнаружена (Frost and Koraimann, 2010; Wozniak and Waldor, 2010). Бактерии, у которых регулярно происходит конъюгация, часто формируют большие популяции и, возможно, виды, похожие на классические виды эукариот. В этих случаях половой процесс избавляет бактерии от мутационной катастрофы. Однако, если конъюгации отсутствуют или очень редки, что, по-видимому, характерно для архей и многих бактерий, единственным способом избежать катастрофических последствий является ГПГ, который в этом случае можно рассматривать как одну из форм «незаконной» (негомологичной) рекомбинации. На больших промежутках времени бесполые популяции (прокариот) могут выжить только в том случае, если они с достаточно высокой частотой получают посредством ГПГ функциональные версии генов, накапливающих вредные мутации (см. рис. 5–7)[54]54
  Это представление несколько упрощенное, так как существенную роль играет и гомологичная рекомбинация. Однако основной вывод о необходимости замены мутантных генов интактными копиями не подлежит сомнению.


[Закрыть]. Рассмотрение роли ГПГ в эволюции прокариот с популяционно-генетической точки зрения неизбежно ведет к предположению, что отбор действует в направлении поддержания оптимального уровня ГПГ. Эта оптимальная частота ГПГ достаточно высока для предотвращения мутационной катастрофы и обеспечения возможностей для адаптивных инноваций, но в то же время достаточно низка, чтобы избежать частого разрушения функционально важных связей между генами (оперонов). Очевидное предсказание гипотезы оптимизации ГПГ заключается в том, что функционально важные гены, которые быстро эволюционируют и часто утрачиваются в процессе эволюции, должны чаще подвергаться ГПГ. В главе 6 мы увидим, что это предсказание действительно подтверждается сравнительным анализом филогенетических деревьев генов прокариот. Эти наблюдения позволяют нам рационально объяснить эволюцию АПГ как специализированных посредников ГПГ, которые сохраняют темп переноса генов выше того порога, ниже которого наступает катастрофа. Кроме того, ДНК-помпы, участвующие в трансформации (Chen et al., 2005), также можно рассматривать скорее как устройства для обеспечения ГПГ, чем как простые механизмы для приобретения нуклеотидов (в форме ДНК, поглощаемой из окружающей среды), как иногда предполагается.

Рис. 5–7. Неизбежность ГПГ: судьба бесполых популяций в случае изоляции и при наличии ГПГ.

Любая бесполая популяция, которая (полностью или почти полностью) изолирована от ГПГ, движется в направлении угасания и последующего вымирания. И это действительно наблюдается у облигатных бактериальных паразитов, особенно тех, что обитают внутри клеток. Внутриклеточные симбионты с самыми маленькими геномами, такие как вышеупомянутая Hodgkinia cicadicola или обладающая геномом чуть большего размера Carsonella rudii, приближаются к статусу органеллы эукариотической клетки своего хозяина или даже уже достигли его (McCutcheon et al., 2009) и почти наверняка уже зашли достаточно далеко на пути в вымиранию. Как это часто бывает, при этом существует конкуренция между глобальным давлением со стороны динамики популяции в целом и локальными адаптациями (шире эта тема будет развернута в гл. 8). Некоторые эндосимбионты насекомых с маленькими, но не самыми крошечными геномами (как правило, около 500 генов), такие как Wolbachia или Wigglesworthia, сохранили определенные метаболические пути, которые снабжают хозяина необходимыми ему метаболитами, в частности аминокислотами (Wu et al., 2006). Эта адаптация может позволить данным организмам поддерживать относительно большой эффективный размер популяции и, следовательно, по крайней мере временно, избежать гибели. Однако в конечном итоге все же представляется правдоподобным, что такие бактерии имеют относительно короткую (в эволюционном масштабе) продолжительность жизни.

Горизонтальный перенос генов, универсальные законы геномики и хорошо перемешанный резервуар прокариотических генов

В предыдущей главе мы обсудили несколько универсальных зависимостей между геномными переменными (законы геномики), в частности обратно пропорциональную зависимость между численностью функциональных классов генов и размером семейств паралогичных генов данного класса. Теперь мы не можем избежать вопроса, как относятся между собой законы геномики и ГПГ, который является столь заметным процессом в мире прокариот. Действительно, сравнительный геномный анализ показывает, что генные семейства прокариот формируются в большей мере за счет ГПГ, чем за счет дупликации генов (Treangen and Rocha, 2011). Большинство генов, которые выделяются как паралогичные при анализе одиночного генома, в действительности являются псевдопаралогами (Makarova et al., 2005). Вне зависимости от пути происхождения распределение размера семейств с высокой точностью воспроизводится моделями рождения, смерти и инноваций (см. рис. 4–7). Единственное объяснение этого соответствия, по всей видимости, заключается в том, что темп рождения и смерти генов в действительности пропорционален не размеру семейства в данном геноме, а размеру семейства в резервуаре генов-доноров. Поскольку степенные распределения размера семейств очень близки для всех геномов, резервуар доноров в действительности означает всю вселенную прокариотических геномов. Другими словами, этот аспект структуры вселенной геномов может быть описан в рамках универсального степенного закона распределения размеров семейств генов (очевидно, это распределение весьма отличается от структуры ядра – оболочки – облака, так как оно относится к обширным семействам паралогичных генов, а не строго определенным группам ортологов).

Та же логика применима и к масштабированию функциональных классов генов (то есть зависимости численности классов от общего числа генов, см. гл. 4). Учитывая, что ГПГ вносит основной вклад в генетический состав прокариотических геномов, (почти) универсальные законы масштабирования требуют, чтобы вселенная геномов прокариот рассматривалась как единый резервуар генов. Теорию эволюции, отражающую центральную роль ГПГ, еще только предстоит разработать в явном виде. Однако универсальность законов масштабирования и изложенные выше качественные соображения заставляют предполагать, что в среднем геномная вселенная прокариот является хорошо перемешанным резервуаром генов. Конечно, существуют существенные локальные неоднородности и «скоростные магистрали» ГПГ (см. гл. 6), но в среднем темп перемешивания генов достаточно высок для того, чтобы обеспечить законы универсального масштабирования.

Характерные геномные профили бактерий и архей с различными стилями жизни и неизоморфное отображение генного и функционального пространств

Одной из самых больших надежд, связанных со сравнительной геномикой, является возможность, по крайней мере в принципе, определить «геномные профили» организмов с резко отличающимися стилями жизни (фенотипами), то есть наборы генов, которые необходимы и достаточны для поддержания этих стилей жизни. В имеющейся в настоящее время и быстро растущей коллекции геномов прокариот различные стили жизни часто представлены множественными, сильно отличающимися геномами – таким образом похоже, что подошло время всерьез начать изучение геномно-фенотипических связей. До сих пор в этом направлении можно констатировать лишь весьма скромный успех. Когда стиль жизни связан с хорошо изученным биохимическим путем, таким как у метаногенов или у фотосинтезирующих организмов, идентификация геномного профиля может быть относительно простой задачей. Но даже в этом случае анализ генов, кодирующих белки, вовлеченные, например, в фотосинтез, демонстрирует сложное переплетение признаков, специфичных для стиля жизни и для конкретного таксона. Наиболее полный набор генов для фотосинтеза был зафиксирован у цианобактерий, в то время как другие группы фотосинтезирующих бактерий обладают различными подмножествами этого набора генов (Mulkidjanian et al., 2006).

Геномные профили более сложных фенотипов, таких как термофили или устойчивость к радиации, оказались намного более неуловимыми. Возможно, наиболее настойчивые попытки были посвящены поиску сигналов термофильной адаптации. Примечательно, что был обнаружен один ген, присутствующий во всех секвенированных геномах гипертермофилов, но полностью отсутствующий у мезофилов, и продукт этого гена – белок, абсолютно необходимый для репликации ДНК при экстремально высоких температурах, обратная гираза (Forterre, 2002). Кроме того, геном умеренного термофила Thermus thermophilus (штамм HB27) содержит псевдоген обратной гиразы, в то время как близкородственный ему штамм HB8 содержит работоспособный ген обратной гиразы, что демонстрирует процесс избавления от обратной гиразы после вероятного перехода от гипертермофильного к умеренно термофильному стилю жизни (Omelchenko et al., 2005). Однако поиск других генов, специфичных для термофилов, принес ограниченные результаты. Иных генов, кроме обратной гиразы, показывающих явную корреляцию их присутствия-отсутствия с (гипер) термофильностью, обнаружено не было; для гипертермофильных архей и бактерий нашлось лишь несколько генов, которые существенно чаще присутствовали в их геномах по сравнению с геномами мезофилов (Makarova et al., 2003). Кроме того, было предпринято много попыток определить характерные признаки фенотипа термофилов на уровне нуклеотидных и белковых последовательностей и структур. Хотя эти исследования выявили несколько признаков, потенциально характерных для белков термофилов, таких как высокая плотность заряда и большее, чем обычно, представительство дисульфидных мостиков, реальная значимость каждого из этих признаков остается неопределенной (Beeby et al., 2005). На филогенетических деревьях высококонсервативных генов (см. гл. 6) термофилы часто группируются в одном кластере с мезофилами – так, белки бактерии Thermus группируются вместе с их гомологами из мезофильной бактерии Deinococcus (вспомните, например, известную полимеразу Taq, незаменимое орудие генной инженерии). Эти факты показывают, что общая эволюционная история оказывает намного более сильное влияние на белковые последовательности, чем термофильные (и другие) адаптации. Итоговый вывод подобных исследований заключается в том, что сравнительная геномика до сих пор не в состоянии выявить «секреты» (гипер)термофильного стиля жизни. (Интуитивно можно было бы подозревать, что должна быть существенная разница между геномами, кодирующими организмы с оптимальной температурой роста, превышающей 95 °C, и теми, для которых она составляет 37 °C.)

История поиска особенностей геномов, коррелирующих с экстремальной устойчивостью к радиации и высыханию, может быть даже более показательна. Некоторые бактерии и археи, лучше всего из которых описана бактерия Deinococcus radiodurans, демонстрируют сопротивляемость экстремальному уровню радиации, что, как считается, является побочным эффектом их адаптации к высыханию. Всесторонний анализ генома D. radiodurans напрямую не выявил никаких уникальных признаков генома или систем репарации ДНК, которые могли бы объяснить исключительную способность этих организмов переносить повреждения, вызываемые радиацией, хотя были идентифицированы гомологи белков растений, использующиеся для повышения сопротивляемости высыханию и в то же время не обнаруженные ни у каких других бактерий (Cox and Battista, 2005; Makarova et al., 2001a). Deinococcus radiodurans является популярной экспериментальной моделью, поэтому для описания реакции этой бактерии на высокие дозы облучения впоследствии были предприняты исследования процессов транскрипции и особенностей состава ее белков. Эти исследования возбудили определенный интерес, так как было зафиксировано существенное увеличение экспрессии некоторых экспериментально не исследованных генов, кодирующих белки с предсказанной ролью в процессах, потенциально связанных с радиационной устойчивостью, таких как репарация двойных разрывов в молекулах ДНК (Liu et al., 2003). Однако нокаут этих генов не повлиял на сопротивляемость радиации, в то время как нокаут нескольких других генов, которые не кодируют никаких известных доменов и не экспрессируются на повышенном уровне при облучении, делал организм чувствительным к радиации (Blasius et al., 2008; Cox and Battista, 2005; Makarova et al., 2007a). Сравнительный анализ двух родственных устойчивых к радиации бактерий D. radiodurans и D. geothermalis не только не смог разрешить проблему геномных особенностей, определяющих устойчивость к радиации, но даже еще более запутал ее (Makarova et al., 2007a). Никаких генов, имеющих явное отношение к сопротивляемости радиации, которые бы были уникальными для этих устойчивых бактерий, открыто не было. Более того, ортологи многих генов D. radiodurans, экспрессия которых усиливается в условиях повышенной радиации, попросту отсутствуют у D. geothermalis. Тщательное сравнение структуры оперонов и предполагаемых регуляторных областей в двух геномах Deinococcus позволило предсказать регулон, ответственный за устойчивость к радиации (Makarova et al., 2007a). Однако роль большинства генов, составляющих этот предсказанный регулон, в обеспечении устойчивости к радиации и высыханию остается невыясненной. Главные свойства генома, определяющие устойчивость к радиации, по-прежнему неуловимы, и растет количество свидетельств, демонстрирующих, что важная роль при этом принадлежит генам, которые повышают устойчивость неожиданными косвенными способами, такими как регулирование внутриклеточной концентрации двухвалентных катионов, оказывающих влияние на степень разрушения белков, вызванного облучением или высыханием (Daly, 2009).

Рис. 5–8. Неизоморфное, многозначное отображение геномного и функционального пространств.

Единственный вывод, который можно сделать в рамках текущего состояния дел по поводу связей между геномом и фенотипом у прокариот, заключается в том, что эти связи являются многогранными, и конкретные наборы генов, ответственных за формирование сложных фенотипов, идентифицировать непросто, несмотря на существование явных генов-сигнатур, связанных с определенными стилями жизни (такими как обратная гираза в случае гипертермофильности). Сложность соотношения геном – фенотип может быть представлена в виде неизоморфного многозначного отображения между геномным и функциональным пространствами прокариот (Koonin and Wolf, 2008b). Каждый ген плейотропен (связан с множеством функций), и каждая функция мультигенна (связана со многими генами; см. рис. 5–8). Мы пришли к этому важному выводу при анализе геномов прокариот, но, без сомнения, он отражает общее правило отсутствия детерминизма при отображении генотип – фенотип (см. гл. 13).