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

Археи и бактерии в свете сравнительной геномики: как же быть с прокариотами?

Сам термин и концепция прокариот в последнее время ставятся под сомнение как устаревшие и основанные на негативном определении: отсутствии органелл, давших свое имя «высшим» организмам (эукариотам), – ядер (Pace, 2009b, 2006). Вместо представляющегося неадекватным понятия прокариот было решительно предложено классифицировать формы жизни исключительно на базе филогенетического разделения, которое исходно возникло из деревьев рРНК и было подтверждено деревьями нескольких других (почти) универсальных информационных генов (Pace, 2009a). Что касается негативного определения прокариот, то ему было противопоставлено определение, основанное на позитивных признаках, таких как сопряжение транскрипции и трансляции (Martin and Koonin, 2006b)[55]55
  Это означает, что у прокариот трансляция начинается до завершения транскрипции, непосредственно на растущей молекуле мРНК. У эукариот такое сопряжение невозможно, так как транскрипция и трансляция пространственно разобщены ядерной мембраной (см. гл. 7). Любопытно, что в нашей заметке на эту тему мы с Биллом Мартином несколько поторопились, заявив, что сопряжение транскрипции и трансляции является определяющим признаком прокариот. Как выяснилось, в то время соответствующие экспериментальные данные об археях отсутствовали. Вообще говоря, такая неаккуратность в научной публикации никак не заслуживает поощрения. В этот раз, однако, все закончилось хорошо, поскольку наша заметка стимулировала эксперименты, которые убедительно продемонстрировали существование сопряжения у архей (French SL, Santangelo TJ, Beyer AL, Reeve JN. // Transcription and translation are coupled in Archaea. Mol Biol Evol. 2007 Apr;24(4):893-5).


[Закрыть]. Каковы бы ни были относительные достоинства этих аргументов, сравнительная геномика пролила свой собственный свет на проблему прокариот. Как обсуждалось в этой главе, между археями и бактериями наблюдается очень небольшая степень сохранения репертуара генов (КОГ) и даже еще меньшая степень сохранения в организации специфических оперонов. Действительно, на эволюционных деревьях, построенных на основе сравнения репертуара генов и консервативных пар соседних генов, разделение между бактериями и археями весьма четкое (Wolf et al., 2002).

С этим разделением резко контрастирует единство общей организации геномов бактерий и архей. Несмотря на некоторые исключения, главный принцип организации генома может быть легко выражен следующим сжатым описанием: бактерии и археи имеют компактные геномы с короткими межгенными промежутками, устроенные таким образом, что множество генов формируют директоны, которые имеют тенденцию функционировать как опероны. Формирование директонов, многие из которых становятся оперонами, можно рассматривать как непосредственное следствие компрессии генома (дальнейшее обсуждение этой проблемы в гл. 8). Эволюционная устойчивость оперонов затем обеспечивается совместным действием очищающего отбора и частого ГПГ, в соответствии с концепцией эгоистичного оперона. Одинаковый принцип организации геномов бактерий и архей появился как непосредственное следствие давления отбора, которое действует в процессе эволюции этих форм жизни. Эти факторы отбора, в свою очередь, сами калибруются популяционной динамикой (см. гл. 8). Рассматривая все это вместе, я не могу не прийти к концепции прокариот как формы жизни, характеризующейся особым режимом эволюции, включающим всесторонний и неотъемлемый ГПГ, который создает хорошо перемешанный резервуар генов и приводит к общему типу организации их генома. Является ли термин «прокариоты» удачным для описания этой части биосферы, остается спорным вопросом (мы внесем некую ясность в эту проблему при обсуждении происхождения эукариот в гл. 7), но, вероятно, все же второстепенным.

Краткий обзор и перспектива

Безусловно, прогресс в наших знаниях о мире прокариот, достигнутый благодаря успехам сравнительной геномики, огромен. Многие из основных закономерностей и моделей, обсуждавшихся здесь, такие как явные отличия архей и бактерий, наряду с фундаментальным сходством в режимах их эволюции и вытекающей из этого организацией генома, оперонная организация генов бактерий и архей и существование ГПГ, были замечены еще в предгеномную эру, но скорее как отдельные случаи, чем как общие тенденции. Сравнительная геномика позволяет исследователю определить, насколько общим является любая наблюдаемая тенденция, и достоверность подобных выводов увеличивается по мере роста размера коллекции секвенированных геномов. В начале геномной эры существовала надежда на открытие нового набора законов геномики. И действительно, при сравнении геномов прокариот были открыты некоторые почти универсальные количественные закономерности. Наилучшими кандидатами на статус законов геномики можно считать специфическую зависимость доли генов разных функциональных классов от размера генома, степенной закон распределения размеров семейств генов и универсальное распределение скоростей эволюции ортологичных генов (см. гл. 4).

Однако в общем и целом по итогам 15 лет работы в области сравнительной геномики, вероятно, правильнее говорить о закономерностях, ограничениях и, возможно, принципах, но не о законах, высеченных на камне. Действительно, в терминах общей организации, основная масса геномов архей и бактерий примечательно похожа и построена в соответствии с одним и тем же простым «генеральным планом» с плотным расположением кодирующих белки и РНК генов, организованных по большей части в виде директонов, как правило, с одной точкой начала репликации. Большинство генов архей и бактерий имеют простую организацию с непрерывной кодирующей последовательностью и короткими регуляторными участками. По-видимому, существует нетривиальная связь между функциями генов и сложностью генома: распределение числа генов, принадлежащих различным функциональным классам, оказывается (почти) одинаковым для широкого спектра доступных геномов, с почти постоянным «замороженным» набором генов, участвующих в процессе трансляции, и резким ростом числа генов-регуляторов и сигнальных белков при увеличении размера генома. Увеличение «бюрократического груза» вместе с энергетическими ограничениями, вероятно, являются важными факторами, устанавливающими верхний предел на размер генома прокариот и, соответственно, сложность их строения. Эти закономерности приближаются к законам геномики настолько близко, насколько это только можно представить, хотя, как всегда это бывает в биологии, существует множество исключений из любого правила.

Важнее, что в пределах этих простых ограничений мы наблюдаем огромное разнообразие и сложность содержания, функционирования и истории прокариотических геномов. Показательные примеры этого встречаются в изобилии. Демонстрация того, что значительное большинство генов в каждом геноме являются не ОРС, а имеют ортологи, является краеугольным камнем сравнительной геномики и эволюционных реконструкций сценариев. Однако обратная сторона медали, а именно фрагментарное распределение кластеров ортологичных генов в геномном пространстве, является не менее фундаментальной закономерностью. Это распределение – результат действия основных факторов, формирующих эволюцию прокариот: ГПГ, потери генов, что часто вызвано упрощением генома, и замены генов неортологами, что отображает неизоморфное соответствие между геномным и функциональным пространствами. Практически неограниченная пластичность архитектуры геномов прокариот, обусловленная частыми геномными перестройками, которые порождают разнообразные вариации на темы консервативных оперонов, а также открытие ранее неизвестных систем передачи сигналов, регуляции и защиты (лишь несколько примеров которых кратко были рассмотрены в этой главе) еще более увеличивают сложность геномного пространства прокариот, открытого сравнительной геномикой.

Представляется, что главная концептуальная новизна, привнесенная в биологию сравнительной геномикой, – это демонстрация повсеместного распространения ГПГ в мире прокариот, даже с учетом того, что масштабы перемещения генов между организмами, не являющимися близкими родственниками, остаются предметом изучения и дебатов. Независимо от того, какое направление примут эти дебаты в ближайшие годы, широкое распространение ГПГ и очевидное отсутствие непреодолимых барьеров означает, что мир прокариот представляет собой один перемешанный пул генов. Этот пул имеет сложную, разделенную на отдельные районы структуру, в которой удаленные друг от друга части обмениваются генами с меняющейся в широких пределах интенсивностью. Горизонтальный перенос генов влияет на разные классы генов в разной степени, по крайней мере частично в соответствии с гипотезой сложности, но ни один ген, похоже, не избавлен полностью от возможности ГПГ. Критически важно понимать, что существенный уровень ГПГ жизненно необходим для выживания бесполых популяций прокариот на больших интервалах времени, ибо иначе такие популяции вымирают в результате мутационной катастрофы. Таким образом, существенный темп ГПГ является условием sine qua non для постоянного выживания и эволюции в мире прокариот. Кроме того, рассмотрение роли ГПГ в формировании эволюционных процессов в геномах прокариот, вместе с универсальными законами масштабирования, приводит нас к заключению, пусть пока только качественному, что пул генов прокариот является в целом хорошо перемешанным, несмотря на все локальные неоднородности.

Важно также отметить, что существенная часть большинства геномов прокариот принадлежит мобилому, обширному множеству генов, которые приходят в геномы и уходят из них с поразительной скоростью и в основном являются эгоистичными генетическими элементами, не имеющими никакого адаптивного значения для генома своего хозяина, хотя иногда эти элементы рекрутируются хозяином для выполнения специфических биологических функций[56]56
  К этому выводу следует отнестись с долей скепсиса: вполне вероятно, мы недооцениваем частоту и значение такого использования мобильных элементов.


[Закрыть].

Взятые вместе, эти открытия формируют новую картину динамичного мира прокариот, который лучше всего может быть представлен сетью генетических элементов, которые обмениваются генами с существенно различающимися скоростями. В этой сети отличие между относительно стабильными хромосомами и мобиломом носит скорее количественный, чем качественный характер. Поразительная универсальность общей организации геномов прокариот, по-види мому, определяется динамическим характером пространства-времени геномной вселенной прокариот, наряду с интенсивным очистительным отбором, поддерживающимся за счет большого эффективного размера популяции большинства прокариот. Сами по себе эти характерные большие размеры популяций во многом определяются высоким уровнем ГПГ, постольку поскольку в противном случае деградация и в конечном счете мутационная катастрофа неизбежны (более подробно об этом см. гл. 8).

Парадокс сегодняшнего состояния дел в эволюционной геномике состоит в том, что, несмотря на громадный прогресс (но также и благодаря ему), проявляющаяся сложность мира прокариот в настоящее время не доступна адекватному анализу. Мы все еще не имеем соответствующего языка (в смысле теории и методологии) для описания динамики и истории геномной сети. Разработка адекватной концептуальной платформы для понимания эволюции прокариот является основным вызовом следующего этапа в развитии этой сферы исследований. В главе 6 описываются некоторые скромные шаги в этом направлении.

Рекомендуемая дополнительная литература

Davids W., and Z. Zhang. (2008) The Impact of Horizontal Gene Transfer in Shaping Operons and Protein Interaction Networks – Direct Evidence of Preferential Attachment. BMC // Evolutionary Biology 8: 23.

Количественное изучение скорости ГПГ между генами ядра и оболочки у бактерий. Гены оболочки, в частности, вовлеченные в систему клеточной защиты, имеют более высокую скорость ГПГ.

Doolittle, W. F. (1999) Lateral Genomics // Trends in Cell Biology 9: M5—8.

Ранняя дискуссия о вкладе ГПГ в концепцию древа жизни.

Doolittle, W. F., and O. Zhaxybayeva. (2009) On the Origin of Prokaryotic Species // Genome Research 19: 744–756.

Концептуальное обсуждение прокариотических видов с акцентом на многоликость эволюционных процессов у архей и бактерий, приводящих к различным формам объединений организмов, некоторые из которых похожи на формирование видов у эукариот, а другие нет.

Frost, L. S., R. Leplae, A. O. Summers, and A. Toussaint. (2005) Mobile Genetic Elements: The Agents of Open Source Evolution // Nature Reviews Microbiology 3: 722–732.

Обзор влияния мобильных элементов на эволюцию.

Gogarten, J. P., and J. P. Townsend. (2005) Horizontal Gene Transfer, Genome Innovation and Evolution. Nature Reviews Microbiology 3: 679–687.

Обзор, демонстрирующий ключевую роль ГПГ в эволюции, по крайней мере в мире прокариот.

Jain, R., M. C. Rivera, and J. A. Lake. (1999) Horizontal Gene Transfer Among Genomes: The Complexity Hypothesis // Proceedings of the National Academy of Sciences USA 96: 3,801—3,806.

Ключевое исследование, представляющее гипотезу, что гены, вовлеченные в многочисленные взаимодействия (комплексы), менее склонны к ГПГ, чем гены, имеющие незначительное число партнеров.

Koonin, E. V., and Y. I. Wolf. (2008) Genomics of Bacteria and Archaea: The Emerging Dynamic View of the Prokaryotic World // Nucleic Acids Research 36: 6,688—6,719.

Обширный концептуальный обзор эволюции прокариот, с акцентом на динамичный характер эволюции, вызванный ГПГ, заменой неортологичными генами, утратой генов, специфичной для линии организмов, и активностью мобильных элементов. Обсуждается состоящая из трех частей вселенная генов прокариот.

Lapierre, P., and J. P. Gogarten. (2009) Estimating the Size of the Bacterial Pan-Genome // Trends in Genetics 25: 107–110.

Попытка оценить размер содержимого пангенома на основе похожей на описанную в предыдущей статье модели распространения генов среди прокариот.

Lawrence, J. (1999) Selfish Operons: The Evolutionary Impact of Gene Clustering in Prokaryotes and Eukaryotes // Current Opinion in Genetics & Development 9(6): 642–648.

Обзор данных в поддержку гипотезы «эгоистичного оперона», утверждающей, что опероны поддерживаются больше за счет ГПГ, чем из-за преимуществ совместной регуляции и экспрессии генов.

Sapp, J. (2005) The Prokaryote – Eukaryote Dichotomy: Meanings and Mythology // Microbiology and Molecular Biology Reviews 69: 292–305.

Исторический анализ революции Вёзе и неадекватность концепции прокариот.

Woese, C. R. (1994) There Must Be a Prokaryote Somewhere: Microbiology’s Search for Itself // Microbiology Reviews 58: 1–9.

Блестящее обсуждение «революции Вёзе» в (микро)биологии самим архитектором этой революции. Акцент сделан на «несвязность» прокариот и взаимоотношения между археями и эукариотами.

Глава 6. Филогенетический лес и поиск неуловимого древа жизни в век геномики

Очень краткая история древа жизни

Концепция древа жизни (ДЖ) в ее современном значении была впервые представлена Дарвином в его записных книжках еще в 1838 году. Двадцатью годами позже Дарвин запечатлел ее в одной-единственной иллюстрации к «Происхождению видов…». Конечно же не ему принадлежит идея изображения генетических взаимоотношений в форме дерева. Деревья столетиями использовались для изображения родословных, таких как настоящие истории семей (королевских, к примеру). Тем не менее именно Дарвину принадлежит плодотворная идея о том, что различные виды связаны между собой древом, причем листья соответствуют существующим в настоящее время видам, а внутренние вершины[57]57
  Мы здесь пользуемся терминами «листья» и «вершины» в математическом, а не в биологическом смысле.


[Закрыть] – вымершим, предковым формам. Более того, Дарвин сформулировал радикальную гипотезу о том, что в конечном счете вся история жизни может быть представлена в виде одного гигантского древа.

Родство всех существ одного класса иногда изображают в форме большого дерева. Я думаю, что это сравнение очень близко к истине. Зеленые ветви с распускающимися почками представляют существующие виды, а ветви предшествующих лет соответствуют длинному ряду вымерших видов… Разветвления ствола, делящиеся на своих концах сначала на большие ветви, а затем на более и более мелкие веточки, были сами когда-то, когда дерево еще было молодо, побегами, усеянными почками; и эта связь прежних и современных почек, через посредство разветвляющихся ветвей, прекрасно представляет нам классификацию всех современных и вымерших видов, соединяющую их в соподчиненные друг другу группы (Darwin, 1859) (здесь и далее пер. К. А. Тимирязева, С. Л. Соболя, цит. по изд.: Дарвин Ч. Сочинения. Т. 3. М: Изд-во АН СССР, 1939).

В шестом издании «Происхождения…» (Darwin, 1872) Дарвин пошел дальше и недвусмысленно ввел понятие ДЖ.

Как почки в процессе роста дают начало новым почкам, а эти, если только сильны, разветвляются и заглушают многие слабые ветви, так, полагаю, было при воспроизведении и с великим древом жизни, наполнившим своими мертвыми опавшими сучьями кору земли и покрывшим ее поверхность своими вечно расходящимися и прекрасными ветвями.

Для дарвиновских времен это было невероятно смелое предположение, ведь никаких веских свидетельств в пользу общего происхождения всех форм жизни не было, не говоря уже о том, что Дарвин и другие биологи XIX века понятия не имели о том, насколько жизнь на Земле на самом деле многообразна. Тем не менее гипотеза универсального общего предка стала популярной. Через несколько лет после публикации «Происхождения…» Геккель населил абстрактное древо жизни Дарвина реальными формами жизни, почти исключительно животными, с ЧЕЛОВЕКОМ на вершине и амебами и дробянками (название бактерии в XIX веке) у корней (Haeckel, 1997). С тех пор ДЖ стало центральным элементом эволюционной биологии и в каком-то смысле биологии вообще.

На протяжении примерно 140 лет после Дарвина и Геккеля филогенетические деревья (изначально конструируемые на основании фенотипических признаков, но после фундаментальных работ Эмиля Цукеркандля и Лайнуса Полинга в начале 1960-х все чаще полагающиеся на сравнение молекулярных последовательностей) воспринимались как в целом точные отображения эволюции соответствующих организмов. Другими словами, древо, выстроенное для конкретного признака или гена, приравнивалось, по умолчанию, к «древу видов». Принятие 16S-рРНК, молекулы, универсальной для клеточных форм жизни, в качестве золотого стандарта генетической реконструкции привело к трехдоменному древу жизни Вёзе и коллег. Это была достойная кульминация героического периода филогенетики (Pace, 2006; Woese, 1987; Woese et al., 1990). В древе 16S РНК содержались части с великолепным разрешением ветвей, и, хотя многие другие части остались проработаны довольно слабо, в особенности в глубине древа, ожидалось, что дальнейшее усовершенствование методов филогенетики, вкупе с анализом нескольких дополнительных универсальных генов, позволит получить подробную и исчерпывающую топологию ДЖ в не столь отдаленном будущем (Pace, 1997).

Сложности у концепции ДЖ появились еще до появления геномики, поскольку стало ясно, что среди некоторых распространенных и необходимых генов прокариот наблюдаются множественные горизонтальные переносы генов (ГПГ). Петер Гогартен и коллеги предложили метафору «сеть жизни» в качестве потенциальной замены ДЖ (Hilario and Gogarten, 1993). Однако эти идеи не получили значительной поддержки в догеномную эру, и ГПГ рассматривался в основном как незначительный эволюционный процесс, важный в отдельных областях (таких как распространение устойчивости к антибиотикам), однако в общем эволюционном процессе играющий второстепенную роль – и являющийся несущественным осложнением в процессе построения всеобъемлющего ДЖ. В конце 1990-х сравнение геномов прокариот радикально изменило эту картину, показав, что распределение большинства среди геномов неоднородно (члены большинства КОГ разбросаны среди разнообразных организмов) и топологии филогенетических древ отдельных генов часто не соответствуют друг другу. Эти данные позволили предположить, что ГПГ очень широко распространен среди бактерий и архебактерий и также представлял определенную важность для эволюции эукариот, особенно в контексте эндосимбиоза (см. гл. 7). Таким образом, идеальное ДЖ оказалось химерой, поскольку широко распространенный ГПГ приводит к тому, что древо любого отдельного гена не является точным отображением эволюции целых геномов. Осознание того, что ГПГ среди прокариот является доминирующей формой эволюции, а не редким процессом, привело к идее «выкорчевывания» ДЖ – прежде всего в нескольких влиятельных обзорных статьях Форда Дулитла (Doolittle, 1999a, b, 2000). Заявленное падение ДЖ привлекло к себе много внимания не только в профессиональных публикациях, но и в научно-популярной литературе (Pennisi, 1999). Это событие часто воспринимается как сдвиг парадигмы эволюционной биологии, если не биологии вообще (O’Malley and Boucher, 2005; см. прил. I).

Взгляды эволюционных биологов на статус ДЖ в свете широкой распространенности ГПГ охватывают весь диапазон – от (i) упорного отрицания значения роли ГПГ в эволюции жизни до (ii) «умеренного» пересмотра концепции ДЖ и вплоть до (iii) полного «выкорчевывания» ДЖ, когда сама эта концепция объявляется лишенной смысла как представление эволюции организмов или геномов (O’Malley and Boucher, 2005). По мере накопления сравнительных геномных данных, установка на отрицание ГПГ быстро становится скорее некоей психологической странностью, нежели научной позицией, которую можно обосновать. Настоящие споры идут, похоже, между «ревизионистами» и «радикальным корчевателями» (ii и iii). Сторонники умеренного подхода придерживаются мнения, что, несмотря на все различия между древами отдельных генов, ДЖ по-прежнему имеет большое значение как главная тенденция, которая, хотя бы в принципе, может быть охарактеризована посредством всестороннего сравнения топологий филогенетических древ (Wolf et al., 2002). Приверженцы радикальных взглядов, напротив, считают, что массовые ГПГ уничтожают самые различия между вертикальными и горизонтальными путями передачи генетической информации, поэтому концепция ДЖ должна быть оставлена в пользу сетевой репрезентации эволюции (в широком ее понимании) (Doolittle and Bapteste, 2007; Gogarten et al., 2002).

Противоречивость концепции ДЖ особенно ярко проявилась в дебатах вокруг автоматически построенного «древа жизни в высоком разрешении», которое Пер Борк с коллегами получили путем объединения выровненных последовательностей тридцати одного высококонсервативного белка, в основном из участвующих в процессе трансляции (Ciccarelli et al., 2006). Очень скоро это предполагаемое ДЖ было отброшено как «древо 1 процента» (генов в любом произвольном геноме), которое в целом не отражает историю геномов. По крайней мере для меня эффектно сформулированный аргумент Тал Даган и Билла Мартина (Dagan and Martin, 2006) звучит неотразимо и достоин развернутой цитаты:

«Когда химики или физики обнаруживают, что некая нулевая гипотеза может объяснить только 1 процент полученных ими данных, они немедленно начинают искать другую, лучшую гипотезу. Но похоже, с микробной эволюцией дело обстоит иначе, что не может не беспокоить. Возможно ли, что многие биологи изо всех сил хотят отыскать древо жизни, невзирая даже на то, что говорят им факты?»

В настоящей главе я представляю полное разбиение эволюции прокариот на древовидные и сетевидные компоненты, которые, как мне кажется, вполне могут объективно определить роль и место древ в нашем понимании эволюции, а также в определенной степени разрешить полемику вокруг ДЖ. Однако, прежде чем приступить к этому количественному анализу, мы рассмотрим на концептуальном уровне корни «древесного мышления»[58]58
  Эта глава преднамеренно кратка, и в ней без лишних отступлений описываются последние исследования, которые, на мой взгляд, отражают текущее состояние проблемы ДЖ. Интересный исторический обзор можно найти в книге Саппа, также включающей в себя обсуждение современного состояния «древесного мышления» (J. Sapp, The New Foundations of Evolution: On the Tree of Life Oxford. Oxford University Press, 2009). Еще более подробную панораму современного взгляда на ДЖ можно найти в двух сериях статей, написанных биологами совместно с философами (O’Malley, M. A., ed. (2010) Special Issue: The Tree of Life. Biology and Philosophy; Ragan, M. A., J. O. McInerney, and J. A. Lake, eds. (2009) Theme Issue: The Network of Life: Genome Beginnings and Evolution. Phil Trans R Soc B).


[Закрыть].