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

Рекомендуемая дополнительная литература

Adami C. (2002) What Is Complexity? Bioessays 24: 1,085—1,094.

Концептуальная статья, которая количественно определяет «физическую сложность» геномов (связанную с эволюционной сложностью, рассматриваемой в этой главе).

Gray, M. W., J. Lukes, J. M. Archibald, P. J. Keeling, and W. F. Doolittle. (2010) Cell Biology. Irremediable Complexity? Science 330: 920–921.

Обновленное, нетехническое обсуждение гипотезы конструктивной нейтральной эволюции. Достойно цитаты ради кристально ясного резюме: «Многие из макромолекулярных машин клетки кажутся избыточно сложными, имеющими больше компонент, чем требуют их функции. Как мы можем понять эту сложность в свете эволюции? Одной из возможностей является нейтральный храповой процесс, описанный более десяти лет назад и впоследствии названный конструктивной нейтральной эволюцией. Эта модель дает объяснение эволюции, способное противостоять селекционистским, адаптационистским представлениям, пронизывающим молекулярную биологию».

Koonin E. V. (2004) A Non-adaptationist Perspective on Evolution of Genomic Complexity or the Continued Dethroning of Man. Cell Cycle 3: 280–285.

Обсуждение смысла эволюционной сложности в свете неадаптивной теории Линча и общих следствий из новых идей об эволюции сложности.

Lynch M. (2007) The Frailty of Adaptive Hypotheses for the Origins of Organismal Complexity. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 104 Supplement 1: 8,597—8,604.

Краткое обсуждение новой, плюралистической точки зрения на эволюцию организмов, согласно которой естественный отбор является лишь одним из важных факторов эволюции. Цитата: «Истоки многих аспектов биологического разнообразия, от генно-структурных «украшений» до инноваций на фенотипическом уровне, имеют корни в неадаптивных процессах, при этом популяционно-генетическая среда жестко задает направления, открытые для иследования эволюционным процессом».

Lynch M. (2007) The Origins of Genome Architecture. Sunderland, MA: Sinauer Associates.

Основополагающая книга по неадаптивной теории эволюции геномной сложности и ее различным следствиям (подробности см. в гл. 8).

Lynch M. (2006) Streamlining and Simplification of Microbial Genome Architecture. Annual Review of Microbiology 60: 327–349.

Применение неадаптивной теории эволюции сложности к эволюции геномов прокариот, с акцентом на роль оптимизации генома под действием сильного очищающего отбора в популяциях с большим N_e.

Lynch M., and J. S. Conery. (2003) The Origins of Genome Complexity. Science 302: 1,401—1,404.

Ключевая статья, представляющая неадаптивную теорию эволюции геномной сложности и описывающая простые популяционно-генетические оценки, лежащие в основе теории.

Novichkov P.S., Y. I. Wolf, I. Dubchak, and E. V. Koonin. (2009) Trends in Prokaryotic Evolution Revealed by Comparison of Closely Related Bacterial and Archaeal Genomes. Journal of Bacteriology 191: 65–73.

Сравнительное исследование режимов отбора в разных эволюционных линиях прокариот, демонстрирующее ограничения прямолинейного популяционно-генетического подхода.

Stoltzfus A. (1999) On the Possibility of Constructive Neutral Evolution. Journal of Molecular Evolution 49: 169–181.

Важная концептуальная статья, сделавшая возможным появление понятий неадаптивной эволюции сложности и храповика конструктивной нейтральной эволюции.

Хотелось бы добавить к этому списку две книги, одна из которых без всяких уважительных причин осталась вне поля внимания автора при работе над этой главой, а вторая специфически рекомендуется читателю русского перевода.

John Maynard Smith and Eörs Szathmáry. (1998) The Major Transitions in Evolution. Oxford University Press, Oxford.

Классическая работа, в которой фундаментальные эволюционные инновации, такие как возникновение клетки и возникновение многоклеточных организмов, трактуются в контексте перехода селекции на новый уровень. Так, при возникновении многоклеточных организмов объектом селекции становится уже не индивидуальная клетка, а сообщество клеток с определенным распределением дополняющих друг друга функций (печальные последствия обратного перехода к клеточному уровню селекции очевидны: опухоль по сути представляет собой колонию одноклеточных организмов).

Марков А. В. Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня. Неожиданные открытия и новые вопросы. М.: Астрель; Corpus, 2010.

Великолепный, популярный, но серьезный текст о современном состоянии эволюционной биологии, с упором на эволюцию биологической сложности.

Глава 9. Ламарковский, дарвиновский и райтовский режимы эволюции, эволюция эволюционируемости, надежность биологических систем и созидательная роль шума в эволюции

Драма ламаркизма

Как уже отмечалось в предисловии к данной книге, одной из ключевых заслуг Дарвина явилось то, что ему удалось выявить основополагающее сочетание случая и неизбежности, сопровождающее эволюцию жизни. Согласно Дарвину, большинство наследственных вариаций случайны, а направленность эволюции всецело задается естественным отбором, обусловливающим закрепление либо отсев случайных мутаций (Darwin, 1859). Как мы неоднократно подчеркивали, на стадии фиксации случайность также вносит свой существенный вклад посредством дрейфа и генетической тяги, которые критически зависят от популяционной динамики (см. гл. 8). Между тем Дарвин отводил значимую, хотя и второстепенную роль фундаментально иному типу вариации, так называемому ламарковскому наследованию.

К ламарковскому наследованию относят не случайно приобретенные фенотипические изменения, в особенности те, что непосредственно возникают в связи с использованием тех или иных органов и, соответственно, предположительно имеют адаптивный характер (полезны для организма). Вызывающий множество споров французский натуралист Жан-Батист Ламарк предполагал, что приобретенные изменения наследуются и представляют тем самым основу для эволюции. Ламарк был автором первой логически последовательной теории эволюции, которую представил в своей «Философии зоологии»: «наследование приобретенных (адаптивных) признаков» играло ключевую роль в этой теории (Lamarck, 1809).

Как неоднократно здесь подчеркивалось, в противоположность Ламарку Дарвин поставил во главу угла случайные, ненаправленные изменения, которые, согласно его теории, обеспечивают основной материал для естественного отбора. Правда, в более поздних изданиях «Происхождения видов…» Дарвин придавал гораздо больший вес ламарковскому механизму эволюции, по-видимому из-за опасений, что случайных вариаций и естественного отбора может оказаться недостаточно для обеспечения эволюционного процесса во всей его полноте.

«Наследование приобретенных (адаптивных) признаков» остается фундаментальной проблемой, значимость которой простирается далеко за рамки драматичной и увлекательной истории биологии XIX и XX веков. Взаимодействие между случайными и направленными изменениями генома (если последние вообще существуют) – главная тема данной книги. Здесь мы подходим к самой сути парадокса случая и необходимости, обращаясь к той части биологически важной неслучайности, которая, вероятно, присутствует уже на начальной стадии эволюционного процесса, в момент возникновения вариации. Говоря более конкретно, ключевой вопрос, касающийся ламарковского механизма наследования и эволюции, звучит следующим образом: могут ли факторы среды вызывать адаптивную эволюцию генома напрямую, без обращения к обходному пути естественного отбора?

По общему мнению, ламарковское наследование было всерьез скомпрометировано знаменитыми опытами Вейсмана, в которых он обрубал хвосты крысам[86]86
  В 1880 году знаменитый немецкий биолог Август Вейсман, в контексте своей теории зародышевой плазмы и изоляции зародышевой линии от сомы, взялся непосредственно опровергнуть наследование приобретенных признаков в серии опытов, ставших не менее знаменитыми, чем жираф, который, согласно Ламарку, приобрел длинную шею, поскольку его предки из поколения в поколение тянулись к листьям в кроне высоких деревьев (A. Weissmann. The Germ-Plasm. A Theory of Heredity. London: Charles Scribner’s Sons, 1893). Едва ли стоит упоминания, что у подопытных крыс с отрезанным Вейсманом хвостом не появилось не только бесхвостых крысят, но и вообще потомства со сколь-нибудь укороченным хвостом. Эксперименты Вейсмана нанесли серьезный удар по общественному восприятию идеи о наследовании приобретенных признаков, хотя, строго говоря, они не подпадают под концепцию Ламарка, которая, как уже говорилось, описывает наследование положительных изменений, в первую очередь вызванных постоянным использованием органа, но не требует наследования бессмысленных изменений. Ненаследование произвольных изменений, например обрезания у человека, было известно задолго до Вейсмана; утверждения о противном тем не менее были достаточно обычны во времена Вейсмана и, видимо, послужили непосредственным толчком к его опытам.


[Закрыть]. Дискредитация этого типа наследования была усугублена причудливым и трагическим эпизодом предположительно мошеннических экспериментов Пола Каммерера с окраской жаб-повитух, что в итоге привело ученого к самоубийству[87]87
  Вдохновленный идеями прогресса в биологической эволюции, яркий венский исследователь и популяризатор науки Пол Каммерер развернул в начале ХХ века серию исследований длиною в два десятилетия, чтобы продемонстрировать наследование приобретенных признаков (S. Gliboff. Protoplasm… Is Soft Wax in Our Hands’: Paul Kammerer and the Art of Biological Transformation. Endeavour 29 [2005]: 162–167; E. Pennisi. History of Science. The Case of the Midwife Toad: Fraud or Epigenetics? Science 325 [2009]: 1,194—1,195; A. O. Vargas. Did Paul Kammerer Discover Epigenetic Inheritance? A Modern Look at the Controversial Midwife Toad Experiments. Journal of Experimental Zoology Part B: Molecular and Developmental Evolution 312 [2009]: 667–678). Каммерер в основном экспериментировал с амфибиями, которые меняли цвет и брачные повадки в зависимости от факторов окружающей среды, таких как температура и влажность. Он настаивал, как ни удивительно, на том, что индуцированные изменения, которые он наблюдал, были полностью наследственными. Опыты Каммерера вызывали критику в связи с небрежностью документации и подозрительными, вероятно, фальсифицированными рисунками и фотографиями. Каммерер активно защищал свои выводы, но в 1923 году его карьера подошла к печальному концу после того, как известный британский генетик Уильям Бейтсон обнаружил, что брачные подушечки на ногах образцовой жабы-повитухи Каммерера, признак якобы передаваемый по наследству, на самом деле были инъецированы черными чернилами. Каммерер покончил с собой через два года после этого позорного разоблачения. Остается неясным, был ли Каммерер мошенником в самом худшем смысле этого слова; считается, что он мог использовать чернила, чтобы «усилить» действительно наблюдавшееся изменение цвета, – научная практика, не одобряемая уже в то время, не говоря о нашем, но все же далекая от вопиющего обмана. Результаты Каммерера могли объясняться как наличием у подопытных животных скрытой вариативности признаков, которая незаметно для него самого стала предметом отбора, так и возможной эпигенетической наследственностью. Если мы примем наиболее благоприятное для Каммерера объяснение, его опытная техника была чрезвычайно небрежной, даже если он и обнаружил не осознанные им важные явления. Что бы там ни произошло на самом деле, преданный широкой огласке скандал с Каммерером вряд ли поднял репутацию ламарковской теории наследования. Самое худшее для Ламарка было еще, впрочем, впереди.


[Закрыть]. В ХХ столетии «ламаркизм» приобрел исключительно дурную репутацию, когда в Советском Союзе стал составной частью лысенковщины[88]88
  Следующее примечание наверняка покажется многим читателям русского перевода этой книги примитивным. Однако оно написано для англоязычных читателей, многие из которых совсем или почти совсем не знакомы с этой трагической страницей истории.
  Жестокая ирония ситуации состояла в том, что большевистские вожди Советского Союза горячо приветствовали Каммерера и едва не открыли ему в СССР лабораторию (S. Gliboff. Protoplasm… Is Soft Wax in Our Hands: Paul Kammerer and the Art of Biological Transformation. Endeavour 29 [2005]: 162–167). Несмотря на поразительные успехи русской генетики в 1920-х годах (вспомним имена Сергея Четверикова и Николая Вавилова), лидеры партии лелеяли идеи быстрого, планового и простого улучшения природы, в том числе и природы человека. Когда общая ситуация в стране стала тяготеть к массовому террору и голоду в 1930 году, подходящая команда была найдена под руководством агронома Трофима Лысенко. Лысенко и его подручные были вообще не учеными, а совершенно бесстыдными преступниками, использовавшими ненормальную ситуацию в стране, чтобы получить власть над советскими научными кругами и за их пределами (V. N. Soyfer. The Consequences of Political Dictatorship for Russian Science. Nature Reviews Genetics 2 [2001]: 723–729; V. N. Soyfer. Lysenko and the Tragedy of Soviet Science. New Brunswick, NJ: Rutgers University Press, 1994). Ламарковское наследование, которое лысенковцами, не без порочного хитроумия (с отчетливым оруэлловским оттенком), объявлялось «истинным дарвиновским» механизмом эволюции, было краеугольным камнем их «теории». Они довели идею Ламарка до гротескных крайностей, утверждая, например, что кукушки неоднократно возникали заново из яиц мелких птиц, и приводя это как пример особо примечательной адаптации. В последние годы, будучи уже отстранен от власти, Лысенко сохранил экспериментальную лабораторию, где он, как сообщается, кормил коров сливочным маслом и шоколадом в попытке вывести породы, стабильно дающие жирное молоко. Главным образом лысенковская «наука истинного дарвинизма» не была даже мошенничеством, поскольку ее адепты отнюдь не утруждали себя подделкой каких бы то ни было «экспериментов», а просто рассказывали свои идеологически вдохновленные сказки. Все это было бы смешно, если бы не тот факт, что многие несогласные заплатили буквально своей жизнью, и почти все исследования в области биологии в Советском Союзе были затруднены в течение десятилетий. Нет никаких оснований далее обсуждать здесь Лысенко; о лысенковщине было опубликовано несколько подробных работ (Zh. A. Medvedev. The Rise and Fall of T. D. Lysenko. New York: Columbia University Press, 1969; V. N. Soyfer. The Consequences of Political Dictatorship for Russian Science. Nature Reviews Genetics 2 [2001]: 723–729; V. N. Soyfer. Lysenko and the Tragedy of Soviet Science. New Brunswick, NJ: Rutgers University Press, 1994). Материалы печально известной сессии ВАСХНИЛ 1948 года, официально покончившей с генетикой, – документ одновременно потрясающе интересный и душераздирающий (О положении в биологической науке, стенограмма сессии VI. Всесоюзная академия сельскохозяйственных наук, 31 июля по 7 августа. М.: Государственное издательство сельскохозяйственной литературы, 1948).


[Закрыть]. Однако в последнее время несколько направлений исследований, похоже, сходятся в своих выводах, указывающих на то, что механизмы, которые в разной степени отвечают критериям наследственности по Ламарку, могут вносить важный вклад в процесс эволюции (Koonin and Wolf, 2009b).

Классическая ламарковская схема подразумевает наследование конкретных адаптивных характеристик фенотипа, которые индивид приобрел в течение жизни. В этом узком смысле ламарковский сценарий действительно выглядит несостоятельным по причине явного отсутствия механизмов прямого кодирования приобретенных признаков в геномный текст. Вместе с тем эта необратимость потока генетической информации, которую сформулировал Фрэнсис Крик и которая затем стала известна как центральная догма молекулярной биологии (Crick, 1970), строго применима лишь к передаче информации между нуклеиновыми кислотами и белками. Необратимость появляется на этапе узнавания аминокислот специфичными тРНК, что определяет сборку аминокислот в синтезируемые белки на основе последовательности триплетов в соответствующих мРНК. Не существует обратного пути в геном от любых изменений, могущих возникнуть в белковой последовательности[89]89
  Как и почти любой запрет в биологии, центральная догма может оказаться не столь уж и незыблемой. Прямых путей передачи информации от белка к нуклеиновой кислоте, по-видимому, и правда нет, но способы обойти запрет могут существовать (Koonin EV. Does the central dogma still stand? Biol Direct. 2012 Aug 23;7:27). Мы еще вернемся к этой проблеме ниже.


[Закрыть]. Однако ситуация с нуклеиновыми кислотами, в частности РНК, иная: в биогенезе РНК нет необратимой стадии, которая делала бы невозможной передачу информации обратно в геном. Данное различие важно иметь в виду, когда мы обращаемся к разным классам генетических изменений, некоторые из которых могут быть инициированы факторами окружающей среды.

В этой главе я обсуждаю возможные ламарковские и квазиламарковские эволюционные механизмы наряду с другими важными феноменами, такими как эволюция эволюционирования (evolvability), точность передачи биологической информации и роль шума в эволюции. Все это имеет отношение к одному принципиальному вопросу: существует ли определенная эволюционная логика в мутационных процессах, порождающих геномные вариации, или эти процессы определяются одной лишь случайностью?

Ламарковский, дарвиновский и райтовский режимы эволюции и критерии для обнаружения ламарковского наследования

Прежде чем обратиться к широкому кругу явлений, в которых можно усмотреть все или некоторые признаки эволюционного механизма, ассоциирующегося с именем Ламарка, необходимо сформулировать суть ламарковского подхода и критерии, которым эволюционный процесс должен удовлетворять, чтобы считаться ламарковским. Я не рассматриваю подробно различия между оригинальными взглядами Ламарка и многочисленными их последующими интерпретациями; напротив, я хочу сосредоточиться на вычленении сущности того, что обычно известно как наследование приобретенных признаков и эволюция по Ламарку. Концепция наследственности Ламарка, будучи одним из двух краеугольных камней его эволюционной теории (Gould, 2002), зиждется на двух принципах, которым Ламарк в своей «Философии зоологии» и других работах придавал статус фундаментальных законов:

1. Использование или неиспользование органов.

2. Наследование приобретенных признаков.

Ламарк напрямую связывал «использование или неиспользование» с воздействием среды на «повадки» организма и, через эти повадки, на «форму и свойства» частей тела. При этом он, конечно, полагал, что такие адаптивные, вызванные воздействием среды, изменения наследуются. Ламарк писал: «Природа дает нам несчетные… примеры воздействия среды на поведение, а поведения на формы, организацию и пропорции частей тела животных». Таким образом, его идея наследственности была основана на трехкомпонентной причинно-следственной цепочке: среда – поведение – форма. Ламарк настаивал на важности изменений поведения в качестве промежуточного звена, связывающего окружающую среду с (наследуемым) изменением формы организма:

«Каково бы ни было влияние природных условий, они не вырабатывают непосредственных модификаций формы и организации животных. Однако серьезные перемены в окружающей обстановке влекут за собой изменение стимулов, а смена стимулов с неизбежностью приводит к перестройке поведения. И тогда, если новые потребности становятся постоянными, у животных вырабатываются новые повадки, которые сохраняются столько времени, пока действуют стимулы, породившие их» (Lamarck, 1809).

Ламарк ни в коем случае не был единственным, кто верил в наследование приобретенных признаков: по-видимому, таково было всеобщее убеждение того времени. Однако он был более конкретен, чем другие, в разъяснении цепи причин наследственности и, что более важно, сделал эту схему основой своей незаурядной концепции эволюции. Другим основанием эволюционной теории Ламарка была его убежденность в присущем эволюционирующим организмам стремлении к усложнению организации – или, попросту, прогрессу – которое, в глазах Ламарка, определяет процесс биологической эволюции вместе с наследственностью, как он ее понимал.

Хотя для обозначения этой фундаментальной тенденции Ламарк часто использовал словосочетание «жизненная сила» (pouvoir de la vie), его идея была абсолютно материалистической, можно даже сказать механистической, поскольку причину стремления к прогрессу он видел в движении жидкостей в теле животных. По его мысли, эти жидкости проделывали каналы и полости в мягких тканях, что постепенно вело к эволюции в сторону усложнения организации. Для объяснения присутствия просто устроенных форм жизни, несмотря на предположительно прогрессивный характер эволюции, Ламарк постулировал, что постоянным источником примитивных организмов служит самозарождение. Идеи самозарождения и врожденной склонности к усложнению в настоящее время безнадежно устарели.

Однако по-прежнему широко распространено убеждение, будто эволюция ведет к усложнению организации в результате многочисленных последовательных адаптаций (разумеется, в наши дни ученые, продолжающие выступать за реальность такой тенденции, не назовут ее «врожденной»). Как уже обсуждалось в главе 8, оно явно не соответствует действительности: на самом деле никакой глобальной тенденции к усложнению живых форм в ходе эволюции не прослеживается, даже если максимум наблюдаемой сложности растет в силу стохастических причин. В данной главе мы обратимся к более значимой и интересной проблеме из наследия Ламарка, а именно рассмотрим наследование приобретенных признаков и его вклад в эволюционный процесс.

Рис. 9–1. Ламарковский, дарвиновский и райтовский режимы эволюции. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.

Схема Ламарка, представленная в терминах, совместимых с современной генетикой (см. рис. 9–1), утверждает следующее:

1. Факторы окружающей среды вызывают (наследуемые) изменения генома.

2. Индуцированные изменения (мутации) затрагивают конкретный ген или группу генов.

3. Индуцированные изменения обеспечивают адаптацию к первоначальному причинному фактору.

Очевидно, что адаптивная реакция на конкретный фактор окружающей среды должна быть опосредована молекулярным механизмом, который бы вызывал изменение в соответствующем гене (или генах). В этом состоит явное отличие от хода дарвиновской эволюции: в ней окружающая среда не является фактором, вызывающим адаптивные изменения, скорее она служит источником внешнего селективного давления, которое способствует фиксации тех случайных изменений, что адаптивны при данных условиях (см. рис. 9–1). Дарвиновская схема проще и менее взыскательна по сравнению со схемой Ламарка, поскольку Дарвину не требовались специальные механизмы, направляющие мутации в соответствующие локусы генома и ограничивающие изменения конкретными мутациями, которые обеспечивают необходимую адаптацию.

С другой стороны, режим эволюции Ламарка был бы более эффективным и быстрым по сравнению с дарвиновским. В самом деле, за предпочтение дарвиновского механизма приходится платить втридорога: многочисленные мутации, что возникают в геномах, по-настоящему вредны, так что их носители погибают, другие почти нейтральны и иногда закрепляются с помощью дрейфа, однако при этом не вносят непосредственного вклада в адаптивную эволюцию. Поэтому ламарковская схема оказалась бы очень полезной для эволюционирующих организмов, будь она практически осуществимой. Трудность обнаружения или даже гипотетического представления механизмов направленного адаптивного изменения в геноме отправила сценарий эволюции Ламарка на долгие десятилетия в мусорную кучу истории науки.

Несмотря на существенные различия в механизмах и невзирая на кажущуюся «расточительность» дарвиновской модальности, которая контрастирует с потенциальной эффективностью эволюции по Ламарку (см., однако, дискуссию ниже в этой главе), схемы Дарвина и Ламарка похожи: у обеих конечные результаты преимущественно адаптивны, и в этом отношении, они радикально отличаются от случайного дрейфа. Последний процесс может быть обозначен как «райтовская модальность эволюции», в честь Сьюэлла Райта, одного из отцов-основателей популяционной генетики и создателя концепции случайного генетического дрейфа (см. рис. 9–1 и гл. 2). В последующих разделах я расскажу о недавних исследованиях некоторых феноменов, которые, на мой взгляд, заставляют нас возвратиться к одной из версий ламарковского сценария в качестве важного вклада в эволюцию на уровне геномов и организмов.

Ламарковские и квазиламарковские явления в эволюции

Система антивирусной защиты и адаптивного иммунитета у архей и бактерий, которая в последнее время была изучена благодаря целой серии открытий, часто случайных, по всей видимости, работает непосредственно через предложенный Ламарком механизм. Такая система известна как CRISPR-Cas (или просто CRISPR, для краткости). Аббревиатура CRISPR означает «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», а Cas – «белки, ассоциирующиеся с CRISPR» (Deveau et al., 2010; Karginov and Hannon, 2010; Koonin and Makarova, 2009; van der Oost et al., 2009). CRISPR-повторы содержат короткие уникальные участки-спейсеры, встроенные внутри палиндромных повторяющихся блоков. Геномы архей и бактерий содержат кассеты (группы тандемно организованных, тесно сцепленных, функционально связанных локусов) с многочисленными CRISPR-блоками – во многих случаях более одной кассеты на геном. Хотя CRISPR-повторы были открыты еще в 1980-х, за годы до первых расшифровок полных бактериальных геномов, только гораздо позже стало понятно, что CRISPR-кассеты в геномах практически всегда примыкают к группе cas-генов. Cas-гены кодируют различные ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот, включая нуклеазы, геликазы и, возможно, полимеразы[90]90
  История открытия cas-генов интересна и поучительна сама по себе, хоть и выходит за рамки основной темы этой книги. В нашем исследовании перекрывающихся цепочек генов в геномах прокариот, проделанном в 2002 году (см. гл. 5), группа cas-генов оказалась второй по величине связной геномной окрестностью после рибосомного супероперона (I. B. Rogozin, K. S. Makarova, J. Murvai, E. Czabarka, Y. I. Wolf, R. L. Tatusov, L. A. Szekely, and E. V. Koonin. Connected Gene Neighborhoods in Prokaryotic Genomes. Nucleic Acids Research 30 [2002]: 2,212—2,223). После тщательного анализа последовательностей Cas-белков мы предсказали, что эти белки представляют собой неизвестную ранее систему репарации ДНК (K. S. Makarova, L. Aravind, N. V. Grishin, I. B. Rogozin, and E. V. Koonin. A DNA Repair System Specific for Thermophilic Archaea and Bacteria Predicted by Genomic Context Analysis. Nucleic Acids Research 30 [2002]: 482–496). Такой прогноз, казалось, имеет смысл, если вспомнить различные роли нуклеаз, геликаз и полимераз в репарации. К сожалению, мы не исследовали соседних повторов. Только после независимого открытия фагоспецифичных спейсеров (A. Bolotin, B. Quinquis, A. Sorokin, and S. D. Ehrlich. Clustered Regularly Interspaced Short Palindrome Repeats (CRISPRs) Have Spacers of Extrachromosomal Origin. Microbiology 151 [2005]: 2,551—2,561; F. J. Mojica, C. Diez-Villasenor, J. Garcia-Martinez, and E. Soria. Intervening Sequences of Regularly Spaced Prokaryotic Repeats Derive from Foreign Genetic Elements. Journal of Molecular Evolution 60 [2005]: 174–182) все концы сошлись и появилась гипотеза о механизме антивирусного иммунитета, опосредованного CRISPR-Cas (K. S. Makarova, N. V. Grishin, S. A. Shabalina, Y. I. Wolf, and E. V. Koonin. A Putative RNA-Interference-Based Immune System in Prokaryotes: Computational Analysis of the Predicted Enzymatic Machinery, Functional Analogies with Eukaryotic RNAi, and Hypothetical Mechanisms of Action. Biology Direct 1 [2006]: 7). Впоследствии ее основные положения были подтверждены опытным путем (R. Barrangou, C. Fremaux, H. Deveau, M. Richards, P. Boyaval, S. Moineau, D. A. Romero, and P. Horvath. CRISPR Provides Acquired Resistance Against Viruses in Prokaryotes. Science 315 [2007]: 1,709—1,712; F. V. Karginov and G. J. Hannon. The CRISPR System: Small RNA-Guided Defense in Bacteria and Archaea. Molecular Cell 37 [2010]: 7—19). Из этого следует извлечь важный (и, в ретроспективе, самоочевидный) урок о том, что при интерпретации наблюдений следует принимать во внимание как можно больше фактов. Примечательный последний поворот в этой истории состоит в том, что по крайней мере один из Cas-белков, Cas1, присутствующий во всех системах CRISPR, действительно, по-видимому, способствует не только вставке спейсеров в CRISPR-кассеты, но и участвует в некоторых типах репарации (M. Babu, N. Beloglazova, R. Flick, C. Graham, T. Skarina, B. Nocek, A. Gagarinova, O. Pogoutse, G. Brown, A. Binkowski, S. Phanse, A. Joachimiak, E. V. Koonin, A. Savchenko, A. Emili, J. Greenblatt, A. M. Edwards, and A. F. Yakunin. A Dual Function of the CRISPR-Cas System in Bacterial Antivirus Immunity and DNA Repair. Molecular Microbiology 79 [2011]: 484–502). В конце концов, оказывается, что первоначальный прогноз не был полностью ошибочным, хотя принципиальная новизна открытия и была упущена.


[Закрыть].

После того как было показано, что некоторые из уникальных спейсеров в CRISPR-кассетах идентичны фрагментам генов бактериофагов и плазмид, была высказана гипотеза о том, что CRISPR-система использует полученные от фагов последовательности в качестве молекул-шаблонов для разрушения мРНК-фагов аналогично эукариотической РНК-интерференции (РНКи) (Makarova et al., 2006). Хотя большую часть деталей механизма еще предстоит выяснить, главные предсказания этой гипотезы к настоящему времени подтверждены: наличие спейсера, последовательность которого в точности комплементарна мишени, то есть соответствующей последовательности в фаговом геноме, необходимо для резистентности[91]91
  Системы CRISPR-Cas чрезвычайно разнообразны, в том числе и в том, что касается молекулярных механизмов активности; точная комлементарность спейсера и мишени важна лишь для некоторых из них, в то время как другие удовлетворяются частичной комплементарностью, как РНК у животных (Semenova E, Jore MM, Datsenko KA, Semenova A, Westra ER, Wanner B, van der Oost J, Brouns SJ, Severinov K. Interference by clustered regularly interspaced short palindromic repeat (CRISPR) RNA is governed by a seed sequence. Proc Natl Acad Sci USA. 2011 Jun 21;108(25):10098-103).


[Закрыть]; РНК-шаблоны, содержащие CRISPR-спейсеры, образуют комплексы с несколькими Cas-белками и используются для борьбы с инфекцией; могут приобретаться новые спейсеры, которые делают бактерию или архею устойчивой к соответствующим фагам. Примечательно, что, судя по всему, некоторые CRISPR-системы нацелены на вирусные мРНК, как и постулирует изначальная гипотеза, тогда как другие уничтожают вирусную ДНК непосредственно (Barrangou et al., 2007; Brouns et al., 2008; Hale et al., 2009; Marraffini and Sontheimer, 2008).

Рис. 9–2. Система CRISPR-Cas и механизм ее действия как пример ламарковской эволюции. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.

Механизм наследственности и эволюции генома, реализованный в CRISPR-Cas системе, представляется в полной мере ламарковским (см. рис. 9–2).

• Стимул из внешней среды (эгоистичный генетический элемент, такой как вирус) используется для непосредственного изменения генома.

• Возникающая модификация (уникальный элемент-специфичный спейсер) напрямую влияет на фактор, вызвавший изменение.

• Модификация явно адаптивна и наследуется потомками клетки, столкнувшейся с эгоистичным элементом.

CRISPR-опосредованная наследственность, по-видимому, не очень устойчива: даже близкородственные геномы архей и бактерий не содержат одинаковых вставок. Подразумевается, что, как только бактерии или археи перестают сталкиваться с конкретным агентом (вирусом), соответствующие спейсеры быстро вырождаются. В самом деле, вставки вряд ли могут быть эволюционно стабильными в отсутствие сильного селективного давления, поскольку единственная мутация сразу делает их бесполезными. Кроме того, во многом подобно адаптивной иммунной системе у животных, CRISPR-системы в редких случаях демонстрируют свойство аутоиммунности: спейсеры, идентичные фрагментам обычных генов клетки-хозяина, вставляются в CRISPR-кассеты и, предположительно, нарушают экспрессию соответствующих генов (Stern et al., 2010). Несмотря на некоторую эфемерность наследственности CRISPR, ее ламарковский характер неоспорим: адаптивная эволюция организмов происходит непосредственно в ответ на внешний фактор среды и результатом является конкретная адаптация (резистентность) к данному специфическому фактору[92]92
  Последние исследования показывают, что дело обстоит сложнее: в механизме действия CRISPR-Cas-систем, наряду с ламарковской схемой, явно прослеживается и дарвиновский путь эволюции, включающий случайные изменения в геноме с последующей селекцией. Показано, что первоначально CRISPR-Cas-система интегрирует многочисленные фрагменты генома фага, но затем лишь очень небольшая доля исходных спейсеров фиксируется под действием отбора и обеспечивает устойчивость данному фагу (Paez-Espino D, Morovic W, Sun CL, Thomas BC, Ueda K, Stahl B, Barrangou R, Banfield JF. Strong bias in the bacterial CRISPR elements that confer immunity to phage. Nat Commun. 2013;4:1430).


[Закрыть].