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

Разделение эволюции прокариот на древовидный и сетевидный компоненты

Как мы видели в предыдущем разделе, сигнал древовидной эволюции, который можно определить как консенсусную топологию ПУДов, по-видимому, отражает главную тенденцию в ЛЖ и может быть прослежен во всем диапазоне филогенетических глубин, несмотря на существенный уровень ГПГ. И напротив, общую сумму всех эволюционных схем, которые оказываются несовместимыми с консенсусной топологией ПУДов, будь они вызваны ГПГ или другими процессами (такими как параллельные потери генов, которые тоже часты среди прокариот), можно обозначить как сетевидный сигнал. Мы разработали количественную меру, чтобы прямо оценить (по шкале от 0 до 1) вклады древовидных и сетевидных компонент в эволюционные расстояния между видами (Puigbo et al., 2010). Чем ниже показатель (то есть чем ближе он к случайно ожидаемому расстоянию, в предположении, что гены смешиваются свободно), тем более отношения между заданной парой видов определяются сетевидными эволюционными процессами. На карте «дерево – сеть» ПУДов доминировал древовидный сигнал (темная область на рис. 6–7а): средний показатель для ПУДов составил 0,63, так что эволюция почти универсальных генов прокариот оказывается примерно на две трети древовидной. Исключениями являются радиорезистентная бактерия (Deinococcus radiodurans), проявившая главным образом сетевидные отношения с большинством архебактерий, и некоторые из бактериальных таксонов (Thermotogae, Aquificales, Cyanobacteria, Actinobacteria, Chloroflexi, Firmicutes и Fusobacteriae), каждый из которых сформировал сильносвязанную сеть с другими бактериями (см. рис. 6–7а).

Рис. 6–7. Древовидный и сетевидный сигналы в эволюции прокариот: а – 102 ПУДа; б – ЛЖ без ПУДов (6799 деревьев). Древовидный сигнал усиливается от темной (сетевидная эволюция) к светлой (древовидная эволюция) области. Виды расположены согласно топологии супердрева 102 ПУДов, которое было взято в качестве вертикального (древовидного) сигнала. На рис. а отмечены крупнейшие группы архебактерий и бактерий. Адаптировано с разрешением из Puigbo et al., 2010.

Рис. 6–8. Сигналы древовидной и сетевидной эволюции для различных функциональных классов прокариотических генов. Порядок и нумерация видов как на рис. 6–7. Функциональная классификация генов взята из системы КОГ (Tatusov et al., 2003). Обозначения: J – трансляция, рибосомная структура и биогенез; U – внутриклеточный обмен, секреция и везикулярный транспорт; К – транскрипция; L – репликация, рекомбинация и репарация; D – контроль клеточного цикла, деление клетки и разделение хромосом; F – транспорт и метаболизм нуклеотидов; H – транспорт и метаболизм коферментов; I – транспорт и метаболизм липидов; N – подвижность клетки; O – посттрансляционные модификации, белковый обмен и шапероны; S – функция неизвестна; M – биогенез клеточной стенки, мембраны и оболочки; Е – транспорт и метаболизм аминокислот; С – производство и преобразование энергии; G – транспорт и метаболизм углеводов; R – только общее предположение о функции; Q – биосинтез вторичных метаболитов, транспорт и катаболизм; Р – транспорт и метаболизм неорганических ионов; Т – механизмы трансдукции сигнала; V – защитные механизмы. Адаптировано с разрешением из Puigbo et al., 2010.

B разительном контрасте с ПУДами, в остальной части ЛЖ доминирует сетевидная эволюция со средним показателем 0,39 (примерно на 60 процентов сетевидный сигнал). Примечательно, что области древовидной эволюции перемешаны с областями сетевидной эволюции в различных частях ЛЖ (см. рис. 6–7б). Крупные сетевидные области, которые мы наблюдали среди ПУДов, снова возникают в ЛЖ, однако проявляются и дополнительные подобные области, включающие кренархеоты, которые проявили выраженный сигнал недревовидных отношений с различными бактериями, так же как и некоторые эвриархеоты (см. рис. 6–7б). Более подробный анализ ЛЖ показывает, что сетевидный сигнал доминирует в эволюции генов, которые присутствуют в небольшом количестве прокариот, в то время как эволюция более распространенных генов более древовидна и сильнее похожа на картину, наблюдаемую среди ПУДов (Puigbo et al., 2010). Эта тенденция очевидно совместима с гипотезой оптимизации ГПГ (см. гл. 5), согласно которой гены, часто теряющиеся в ходе эволюции, должны так же часто передаваться, чтобы избежать исчезновения этих генов и мутационного краха микробной популяции (см. гл. 5).

Различные функциональные классы генов проявили значительные различия в отношении древовидных и сетевидных тенденций в своей эволюции, от доминирования древовидного сигнала среди генов для компонентов механизма трансляции и молекулярных шаперонов до практически полностью сетевидной эволюции генов, кодирующих компоненты систем ионного переноса, передачи сигнала и защитных систем (см. рис. 6–8). Такая схема в целом совместима с гипотезой сложности, но, кроме того, выявляет более тонкую картину, с существенными различиями между, например, ферментами метаболизма нуклеотидов, которые эволюционируют преимущественно древовидно, и белками, участвующими в метаболизме и переносе аминокислот или углеводов, у которых сетевидный сигнал куда более заметен (см. рис. 6–8).

Подводя итог, можно сказать, что количественный анализ древовидного и сетевидного сигналов выявляет несомненный парадокс эволюции прокариот: несмотря на то что древовидная эволюция, безусловно, является сильнейшей тенденцией в ЛЖ, количественно в эволюции прокариот доминирует комбинация сетевидных процессов, таких как ГПГ и специфичная для линии утрата генов. Древовидный процесс отражает значительную часть эволюции среди ПУДов; однако, поскольку ЛЖ состоит преимущественно из небольших деревьев, среди которых древовидный сигнал обнаруживается с трудом, сетевидные процессы, которые управляют эволюцией относительно небольших семейств генов, доминируют количественно.

Древовидная эволюция или неслучайный горизонтальный перенос генов?

Гогартен, Лоуренс и Дулитл предложили еретическую (и весьма своеобразную) гипотезу, чтобы объяснить древовидные сигналы, которые можно наблюдать в филогенетическом анализе отдельных генов или ансамблей генов (Gogarten et al., 2002). Согласно этому предположению, древовидная картина эволюции может на самом деле быть последствием (можно сказать, в несколько провокационной манере, артефактом) неоднородного, неслучайного ГПГ, при котором организмы, «близкие» друг к другу на филогенетическом древе, обмениваются генами часто, а среди организмов, «далеких» друг от друга, ГПГ происходит редко. Как мы уже показывали в главе 5, эта возможность определенно имеет биологический смысл: учитывая, что ГПГ переносит ген в чужеродную внутриклеточную среду, можно ожидать, что чем меньше эта среда отличается от исходной (источника перенесенного гена), тем выше шансы для этого перенесенного гена прижиться. Для этой догадки уже даже существуют некоторые экспериментальные подтверждения, хотя и не систематические (Diaz et al., 2011).

Мы использовали структуру ЛЖ, чтобы симулировать эволюцию с переменными градиентами уровня ГПГ, нисходящими от близких к отдаленным организмам, а также чтобы оценить возможность того, что наблюдаемая нами древовидная картина была простым последствием неслучайного ГПГ. В каждой серии симуляций мы проверяли, могут ли характеристики ПУДов, которые мы наблюдали (такие как среднее расстояние между деревьями и степень разделения между археями и бактериями), быть воспроизведены в различных моделях эволюции. Первая серия симуляций началась с топологии супердрева ПУДов, которую мы взяли в качестве репрезентативного сигнала древовидной эволюции, и заключалась в измерении характеристик итоговых деревьев в зависимости от величины градиента ГПГ. Мы и в самом деле обнаружили, что умеренный градиент ГПГ от листьев древа к его центру воспроизводил эмпирически наблюдаемые свойства ПУДов. Вторую серию симуляций мы начали с деревьев-«звезд», в допущении, что древовидная эволюция является статистической аномалией, и затем постепенно развивали градиент ГПГ, присваивая увеличенные уровни ГПГ случайно соединившимся ветвям. В этой симуляции нам не удалось воспроизвести наблюдаемые характеристики ПУДов, даже при экстремально высоких уровнях ГПГ. И хотя эти симуляции, несомненно, являются сверхупрощенными моделями эволюции, они наводят на мысль, что древовидная тенденция и неслучайный ГПГ сосуществуют в ходе эволюции прокариот. И в самом деле, высокий уровень ГПГ между организмами, чьи гены ядра близко связаны древовидной эволюцией, выливается в самоподкрепляющийся процесс, который поддерживает связанные кластеры прокариот на различных уровнях филогенетической глубины.

Краткий обзор и перспектива

Когда Дарвин ввел метафору ДЖ, свидетельства в пользу этой схемы основывались на наблюдениях за эволюцией животных. Однако он с немалой долей уверенности распространил древовидную модель эволюции на жизнь в целом. В узком смысле Дарвин был прав: никто не отрицает, что эволюция животных имеет древовидную структуру. Однако это не древо жизни, это всего лишь описание эволюции отдельной, сравнительно малочисленной, компактной группы эукариот. Распространение этой концепции на всю полноту клеточной жизни на Земле терпит крах из-за сложной сети обширного ГПГ, который чаще всего встречается среди прокариот, но также внес значительный вклад в эволюцию эукариот, в частности при эндосимбиозе (см. гл. 7).

Тем не менее, несмотря на недавно открытый сетевидный характер эволюции, метафора Дарвина отражает глубинную истину: деревья по-прежнему остаются естественным представлением историй отдельных генов, учитывая фундаментально бинарный характер репликации генов и существенно более низкую частоту внутригенной рекомбинации по сравнению с межгенной рекомбинацией на длинных эволюционных дистанциях. Таким образом, хотя ни одно дерево не может в полной мере представлять эволюцию полных геномов и соответствующих форм жизни, реалистичная картина эволюции обязательно сочетает деревья и сети. Эти компоненты можно обнаружить с помощью анализа леса жизни (ЛЖ), полного множества филогенетических деревьев отдельных генов.

Количественный анализ ЛЖ обнаруживает сложный ландшафт древовидной и сетевидной эволюции. Сигналы этих двух типов эволюции распределены чрезвычайно неслучайным образом среди различных групп прокариот и среди функциональных классов генов. В целом сетевидный сигнал количественно доминирует, и это открытие (почти буквально) поддерживает идеи «латеральной геномики» или «сети жизни». Эти результаты, бесспорно, несовместимы с представлением об эволюции прокариот как о ДЖ, украшенном тонкими, случайными «паутинками» ГПГ (Ge et al., 2005; Kunin et al., 2005). Однако древовидный сигнал, совместимый с консенсусной топологией ПУДов, также несомненно обнаруживается и является сильным; согласно нашим измерениям, до 40 процентов эволюции в мире прокариот следует этому образцу. Решающая, хоть и в некотором смысле парадоксальная черта эволюции прокариот состоит в том, что, хотя сетевидные процессы доминируют количественно, самой сильной специфической тенденцией является древовидная эволюция, отраженная в консенсусной топологии ПУДов, которая также в значительной степени повторяет древо рРНК. В принципе эту тенденцию можно назвать «статистическим» или «слабым» ДЖ, хотя я склонен считать, что такая терминология непродуктивна: истинным объектом филогеномики являются ЛЖ и эволюционные структуры, которые можно в нем разглядеть, а не иллюзорное древо жизни.

Древообразующая тенденция эволюции, по-видимому, связана с градиентом ГПГ от близкородственных (в смысле древовидной эволюции) к отдаленным формам жизни. Взаимодействие между древовидной эволюцией и неслучайным ГПГ может создать самоподкрепляющийся эволюционный процесс, который отвечает за внутреннюю устойчивость групп прокариот на различных уровнях филогенетической глубины.

В заключение этой главы мне придется повторить вывод предшествующей: хотя намеченные здесь подходы к количественному анализу ЛЖ информативны и иллюстративны, они конечно же не являются последним словом в методологии филогенетики. По-настоящему пригодный концептуальный аппарат и технический инструментарий для синхронного, всестороннего анализа древовидных и сетевидных эволюционных процессов еще только предстоит разработать. Как только такие методы появятся, мы начнем распознавать истинную картину эволюции.

Рекомендуемая дополнительная литература

Bapteste, E., M. A. O’Malley, R. G. Beiko, M. Ereshefsky, J. P. Gogarten, L. Franklin-Hall, F. J. Lapointe, J. Duprй, T. Dagan, Y. Boucher, and W. Martin. (2009) Prokaryotic Evolution and the Tree of Life Are Two Different Things. Biology Direct: 34.

Еще одна работа на стыке философии и биологии с главным акцентом на том, что «уверенность, что прокариоты связаны посредством… древа, стала теперь сильнее, чем подтверждающие ее факты».

Ciccarelli, F. D., T. Doerks, C. von Mering, C. J. Creevey, B. Snel, and P. Bork. (2006) Toward Automatic Reconstruction of a Highly Resolved Tree of Life. Science: 1,283—1,287.

Кульминация классической традиции в изучении ДЖ. Описана вычислительная процедура, которая автоматически генерирует древо жизни путем объединения выровненных последовательностей 31 универсально консервативного белка (естественно, все эти белки участвуют в процессе трансляции).

Dagan, T., and W. Martin. (2006) The Tree of One Percent. Genome Biology 7: 118.

Энергичное опровержение «дивного нового ДЖ» Чикарелли и коллег: согласно Дагану и Мартину, дерево, представляющее примерно 1 процент генов в сравненных геномах, даже если и свободно от внутренних противоречий, в принципе не может представлять геномную эволюцию, а следовательно, не может считаться древом жизни.

Doolittle, W. F. (2009) The Practice of Classification and the Theory of Evolution, and What the Demise of Charles Darwin’s Tree of Life Hypothesis Means for Both of Them. Philosophical Transactions of the Royal Society of London Biological Sciences 364: 2,221—2,228.

Резюме этого краткого обзора полемики вокруг ДЖ настолько афористично, что достойно быть процитированным практически полностью: «Споры вокруг статуса древа жизни (ДЖ) часто продолжаются без договоренности о том, чем же оно должно являться: иерархической схемой классификации, прослеживанием истории геномов и организмов или гипотезой об эволюционных процессах и тех паттернах, которые они могут порождать. Я утверждаю, что для Дарвина эта была гипотеза, ошибочность которой демонстрируется латеральным переносом генов в прокариотах».

Doolittle, W. F. (1999) Phylogenetic Classification and the Universal Tree. Science: 2,124—2,129.

Первый принципиальный пересмотр концепции ДЖ, основывающийся на открытии обширного ГПГ среди прокариот. Классический образ трехдоменного ДЖ заменяется метафорой сети, также содержащей три основных ствола, но демонстрирующей также множественные горизонтальные связи – в таком большом количестве, что стволы едва различимы.

Doolittle, W. F., and E. Bapteste. (2007) Pattern Pluralism and the Tree of Life Hypothesis. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 104: 2,043—2,049.

Замечательный сплав философии и биологии. Работа иллюстрирует, как одна и та же (древовидная) структура возникает в различных процессах, некоторые из которых не древовидны вообще. Дулитл и Батист заключают: «Плюрализм структуры (признание того, что различные эволюционные модели и представления взаимоотношений будут присущи и истинны для разных таксонов или при разных масштабах или для разных целей) является привлекательной альтернативой донкихотской погоне за единственно истинным ДЖ».

Koonin, E. V., and Y. I. Wolf. (2009) The Fundamental Units, Processes, and Patterns of Evolution, and the Tree of Life Conundrum. Biology Direct:33.

Расширенный аргумент в пользу того, что древовидная структура является центральной в эволюции, выведенный из фундаментального процесса бинарной репликации. Ввиду того, что гомологичная рекомбинация внутри генов встречается значительно реже, чем между генами, эволюция отдельных генов оказывается в основе своей древовидной, а описание эволюции генома можно получить, разыскивая тенденции в «лесу» деревьев генов.

O’Malley, M. A., and Y. Boucher. (2005) Paradigm Change in Evolutionary Microbiology. Studies in History and Philosophy of Biological and Biomedical Sciences 36: 183–208.

Профессиональный философ и эволюционный биолог представляют классификацию постсовременных взглядов на ДЖ, от отрицания сколько-нибудь существенного вклада ГПГ до категорического отказа от «древесного мышления».

Puigbo, P., Y. I. Wolf, and E. V. Koonin. (2010) The Tree and Net Components of Prokaryote Evolution. Genome Biology and Evolution 2: 745–756.

Количественная классификация эволюции прокариот на древовидные и сетевидные компоненты, поддерживающая концепцию латеральной геномики, но также раскрывающая центральную древообразующую тенденцию в эволюции прокариот.

Puigbo, P., Y. I. Wolf, and E. V. Koonin. (2009) Search for a «Tree of Life» in the Thicket of the Phylogenetic Forest. Journal of Biology 8: 59.

Всестороннее сравнение топологий примерно 7000 филогенетических деревьев, которые составляют прокариотический ЛЖ. Анализ раскрывает объективную центральную тенденцию в ЛЖ и показывает, что модель сжатого кладогенеза для основных эволюционных переходов лучше совместима с фактами, чем модель биологического Большого взрыва.

Глава 7. Происхождение эукариот: эндосимбиоз, удивительная история интронов и исключительная важность единичных событий в эволюции

Организмы с большими, сложными клетками известны как эукариоты, что означает «обладающие настоящим ядром». Эти организмы включают три царства многоклеточных форм жизни: растения, бурые водоросли и животные, а также обширный набор одноклеточных форм, известных как протисты. Обычно эукариотические клетки крупнее прокариотических и обладают сложной внутриклеточной организацией с разнообразными ограниченными мембраной органеллами, включая ядро, давшее им имя, и митохондрии, произошедшие от эндосимбиотических бактерий. Таким образом, по любому разумному критерию, эукариотические клетки значительно более сложны, чем бактерии и археи. Возникновение такого уровня сложности – загадка эволюционной биологии, представляющаяся еще более интригующей вследствие особого, «личного» интереса. Ведь изучая происхождение эукариот, мы всматриваемся в исток нашего собственного происхождения.

Фундаментальные различия в клеточной организации между эукариотами и прокариотами являют собой, можно сказать, парадоксальное противопоставление особенностям организации генома, которых мы уже касались в главе 3. В то время как эукариотические клетки обладают гораздо более замысловатой, упорядоченной и сложной организацией, чем прокариотические клетки, геномы эукариот намного менее оптимизированы и содержат гораздо больше «мусора», чем геномы прокариот. Объяснение эволюционных основ этого явного парадокса представляет собой принципиальную проблему, и ее решение, вероятно, прольет свет также и на происхождение эукариот – или, точнее говоря, на происхождение клеточной организации эукариот. Эта проблема далека от решения и остается предметом жарких (иногда даже слишком жарких) споров. В данной главе мы рассмотрим эту загадку и, говоря шире, эволюционные связи между археями, бактериями и эукариотами настолько объективно и логично, насколько это возможно, чтобы понять, как могло возникнуть «эукариотическое состояние живого». В заключение этой дискуссии я надеюсь показать, что, хотя некоторые ключевые детали все еще требуют объяснения, контуры приемлемого специфического сценария возникновения эукариот становятся ясными, и этот сценарий согласуется по крайней мере с некоторыми необычными чертами геномов эукариот и удивительной сложностью эукариотической клеточной организации. Более того, в данной главе мы придем к выводу о том, что трехдоменная схема Вёзе не дает адекватной картины истории жизни, и обсудим некоторые общие следствия эволюционной истории эукариот, которые имеют непосредственное отношение к центральной теме этой книги – взаимодействию случайности и необходимости в эволюции.

Эукариотическая клетка, ее внутренняя архитектура и пропасть между прокариотической и эукариотической клеточной организацией

В этой книге нам нет никакой необходимости вдаваться в бесчисленные тонкие детали биологических структур. Однако для того, чтобы обсуждать происхождение эукариот (далее эукариогенез) предметно, мы должны полностью оценивать природу и глубину пропасти, разделяющей эукариотические и прокариотические клетки. Действительно, существует резкое различие по сложности организации клетки между эукариотами и прокариотами: типичная эукариотическая клетка примерно в тысячу раз больше по объему, чем обычная бактерия или архея, и обладает исключительно сложной внутриклеточной компартментализацией, которой нет даже у самых «продвинутых» прокариот. Ниже в этой главе мы кратко обсудим некоторые интересные исключения, такие как гигантские прокариотические клетки и прокариотические клетки, содержащие внутриклеточные компартменты. Тем не менее тщательное рассмотрение этих случаев подтверждает фундаментальную дихотомию эукариот и прокариот по клеточной организации.

Компартментализация эукариотических клеток основана на сложной, разносторонней системе внутренних мембран и актинтубулиновом цитоскелете. Удивительное следствие внутриклеточной компартментализации – это физическое отличие эукариотических клеток от прокариотических. У прокариот содержимое клетки является раствором, пусть и вязким, так что макромолекулы (белки и нуклеиновые кислоты) диффундируют более или менее свободно и достигают своих пунктов назначения в клетке в результате сочетания стохастических перемещений и переноса в составе специфических комплексов. Напротив, у эукариот макромолекулы не могут свободно диффундировать и вместо этого добираются до своего «места работы» при помощи сложных транспортных систем. Это различие ясно демонстрируется простым экспериментом, в котором мембраны прокариотических и эукариотических клеток искусственно делаются проницаемыми (пермеабилизуются): белки и нуклеиновые кислоты «вытекают» из пермеабилизованных бактериальных клеток, но, как правило, не из эукариотических (Hudder et al., 2003). Таким образом, цитозоль эукариотических клеток обладает значительно более низкой энтропией, чем у прокариот, – трудно придумать более фундаментальное различие.

Ядро – органелла, давшая название эукариотам, – содержит в себе геномную ДНК, организованную в виде хроматина и распределенную между несколькими хромосомами; это место транскрипции, сплайсинга и сборки рибосом. Само по себе ядро является частью системы внутренних мембран: оболочка ядра переходит в мембраны эндоплазматического ретикулума. Очевидно, что для функционирования эукариотической клетки ядро должно постоянно взаимодействовать с цитозолем. Действительно, оболочка ядра пронизана порами, чрезвычайно сложными структурами, отвечающими как за пассивный, так и за активный перенос всех видов молекул (и даже макромолекулярных комплексов, таких как субъединицы рибосом) в ядро и из него. Заметим, что ограничение расположения хроматина и транскрипции ядерным компартментом исключает сопряжение транскрипции и трансляции, отличительную черту экспрессии генов у прокариот. Ниже в этой главе мы рассмотрим фундаментальные последствия этого разобщения.

Изнутри ядро заполнено высокоструктурированным матриксом и в этом отношении походит на эукариотический цитозоль. Эукариотический хроматин, содержащийся в ядре, никоим образом нельзя считать просто молекулой ДНК, защищенной белками и регулярным образом упакованной в трехмерные структуры. Хроматин является чрезвычайно сложной динамической системой молекулярных машин, состоящих из множества специализированных белков, которые регулируют и координируют процессы репликации и экспрессии в основном посредством так называемого ремоделирования хроматина – модификации структуры хроматина, которая изменяет фактуру доступных участков (Clapier and Cairns, 2009). Хотя картина регуляции прокариотической экспрессии становится все сложнее и уже очень далека от простой схемы Жакоба – Моно (см. гл. 5), ничто в прокариотической клетке не может сравниться со сложностью эукариотического хроматина.

Качественные различия между эукариотами и прокариотами многочисленны и охватывают многообразные аспекты клеточной биологии, в частности те, которые имеют отношение к переработке информации, передаче сигналов и внутриклеточному переносу веществ (см. табл. 7–1). Сложность физической организации эукариотической клетки дополняется чрезвычайно изощренной сетью взаимодействующих сигнальных путей. Основные сигнальные системы эукариот – это киназно-фосфатазный механизм, регулирующий работу белков посредством фосфорилирования и дефосфорилирования; система убиквитина, которая управляет оборотом и локализацией белков посредством их обратимого убиквитинирования; регуляция трансляции посредством микроРНК; и регуляция транскрипции на уровне индивидуальных генов и ремоделирования хроматина.

Таблица 7–1. Краткое сравнение основных структурных и функциональных признаков эукариотических и прокариотических клеток.

¹ Совсем недавно тубулин, вероятно являющийся эволюционным предшественником тубулинов эукариот, обнаружен также у архей, принадлежщих к типу Thaumarchaeota. (Yutin N, Koonin EV. Archaeal origin of tubulin. Biol Direct. 2012 Mar 29;7:10).

В главе 3 мы обсуждали некоторые из основных отличий в устройстве генома прокариот и эукариот. Далее в настоящей главе мы подробнее рассмотрим эволюцию и возможные источники одной из самых удивительных характерных черт эукариот, экзон-интронной структуры генов. Заметим, что различия проявляются на всех уровнях организации генома, от очевидных признаков, например разделения генома на множество линейных хромосом, до таких тонких деталей, как размер и строение нетранслируемых областей в белок-кодирующих генах (см. табл. 7–1).

У архей или бактерий нет ничего похожего на характерные для эукариот органеллы, особенности устройства генома и функциональные системы. Поэтому сама природа эволюционных связей между прокариотами и эукариотами кажется загадочной. В самом деле, сравнение полных геномных последовательностей однозначно показывает, что несколько тысяч эукариотических генов, отвечающих за ключевые функции клетки (трансляцию, транскрипцию и репликацию), происходят от общего предка с гомологичными генами архей и/или бактерий. Это эволюционное единство клеточных форм жизни делает объяснение того, как общие компоненты дают начало клеткам, столь непохожим в таком множестве черт, чрезвычайно сложной и интересной задачей.

В предыдущем разделе мы подчеркнули некоторые фундаментальные различия между прокариотическими и эукариотическими клетками (см. табл. 7–1). Одно из этих отличий представляется наиболее поразительным и может содержать ключ ко всей проблеме происхождения эукариот. Эта главная черта эукариотической клетки – присутствие митохондрий, играющих важнейшую роль в преобразовании энергии, а также выполняющих многие другие функции в клетках эукариот, такие как участие в различных формах передачи сигналов и программируемой клеточной смерти. Митохондрии – это органеллы характерной формы («дамская туфелька»), окруженные двойной мембраной; внутренняя мембрана содержит электронтранспортную цепь, состоящую из выстроенных в строго определенном порядке белковых комплексов. Удивительно, что митохондрии обладают своим собственным геномом, обычно представленным кольцевой молекулой ДНК, которая варьирует в размерах в разных царствах эукариот (очень небольшие, около 10 Кб, у животных, и более крупные, от 100 Кб до 1 Мб у других эукариот), и кодирующим небольшое число белков (только тринадцать у большинства животных; в основном это субъединицы комплексов электронтранспортной цепи), а также 34 рРНК и тРНК. Более крупные митохондриальные геномы растений, грибов и протист могут содержать больше функциональных генов – до ста у Reclinomonas americana из группы Excavata, – но в основном большие митохондриальные геномы состоят из встроенных мобильных элементов (Barbrook et al., 2010). Более того, митохондрии обладают собственными системами транскрипции и трансляции, которые обеспечивают экспрессию митохондриального генома. Эти системы во всех отношениях больше напоминают прокариотические, чем эукариотические аналоги. Многие эукариотические клетки содержат более одной митохондрии, и под электронным микроскопом это выглядит так, будто эукариотическая клетка нашпигована множеством паразитических или симбиотических бактерий. И на самом деле так оно и есть.

Сегодня у биологов нет сомнений, что митохондрии произошли от бактерий, бывших эндосимбионтами предков эукариот, и претерпели редуктивную эволюцию, которая превратила их в органеллы, полностью зависимые от клетки хозяина, однако сохранившие некоторые характерные прокариотические черты. Идентифицировать бактериальных предков митохондрий было относительно нетрудно (Yang et al.,1985): филогенетический анализ митохондриальных рРНК и некоторых белок-кодирующих генов точно поместил их среди альфа-протеобактерий, представителей отдельной ветви Proteobacteria, которая, что интересно, включает, наряду с большим числом свободноживущих бактерий, некоторое число внутриклеточных паразитов (таких как Rickettsia) и эндосимбионтов (таких как Wolbachia). Таким образом, по крайней мере в общих чертах, путь от альфа-протеобактерий до митохондрий кажется ясным. Однако на молекулярном уровне это превращение ни в коей мере не тривиально. В самом деле, большинство митохондриальных геномов претерпели сокращение до крайнего минимума, и это сокращение сопровождалось переносом сотен бывших бактериальных генов в геном хозяина (пока что будем использовать нейтральное определение «хозяин эндосимбионта», но позже в этой главе мы обсудим природу этого хозяина подробно). Белковые продукты большинства этих генов – включая среди прочих все белки, которые составляют митохондриальную систему трансляции, – направляются обратно в митохондрии, где они и выполняют свои функции (см. рис. 7–1). Для того чтобы этот механизм работал, гены, перенесенные в хромосомы хозяина, должны быть транскрибированы, что требует соответствующих регуляторных сигналов; транскрипты должны быть транслированы в цитозоле, что требует полной совместимости с эукариотическими сигналами трансляции; наконец, полученные белки должны быть импортированы в митохондрию, что требует специальных сигналов для импорта и специализированного белкового механизма в наружной мембране митохондрий. Проблема приспособления перенесенных генов эндосимбионта к прохождению через этот сложный путь на первый взгляд кажется совершенно неразрешимой. Однако, по-видимому, имеется очевидное решение; пока что я сохраню интригу и расскажу о нем в разделе о происхождении эукариотической клетки, ниже в этой главе.