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

Другие (квази)ламарковские системы, функционирующие по принципу CRISPR

Интересно и поучительно сравнить особенности наследственности и эволюции в случае CRISPR-системы с соответствующими характеристиками эукариотической РНК-интерференции (RNAi) и, в частности, малых интерферирующих (si) РНК и PIWI-взаимодействующих (pi) РНК, то есть с защитными системами эукариот, в общих чертах функционально аналогичными CRISPR. Для начала вспомним примечательный и довольно загадочный факт: белковый аппарат эукариотической РНК-интерференции не гомологичен Cas-белкам; белковые компоненты этой сложной эукариотической системы были собраны из прокариотических доменов, которые первоначально были вовлечены в исполнение других функций (см. гл. 7; Shabalina and Koonin, 2008). Очевидное отсутствие ортологов для любого из Cas-белков в клетках эукариот позволяет предположить, что эта система каким-то образом исключена из эукариотического мира отбором, хотя лежащее в основе селективное давление представляется смутно. Единственным намеком может служить общая причина утраты оперонов у эукариот, которую мы обсуждали в главе 7: опероны исчезают под действием рекомбинационного храповика, и гены, которые требуют особенно тесной координации экспрессии или же вредны вне контекста действия оперона, устраняются путем очищающего отбора[93]93
  Дальнейшее, еще более детальное изучение CRISPR-Cas-систем заставляет считать это объяснение весьма правдоподобным. Действительно, CRISPR-Cas локусы бактерий и архей включают токсин-антитоксинные элементы, которые, видимо, функционируют в тесном взаимодействии с собственно иммунным компонентом CRISPR-Cas (Makarova KS, Anantharaman V, Aravind L, Koonin EV. Live virus-free or die: coupling of antivirus immunity and programmed suicide or dormancy in prokaryotes. Biol Direct. 2012 Nov 14;7:40).


[Закрыть].

В отличие от CRISPR-Cas, системы РНК-интерференции не используют механизм Ламарка напрямую. Тем не менее они явно демонстрируют характерные «ламарковские» черты. Система siРНК (отдельный вид РНКи) «обучается» внешним агентом (вирусом) путем генерации малых интерферирующих РНК, комплементарных вирусным генам (Kim et al., 2009). Этот процесс, безусловно, имеет сходство с CRISPR-механизмом, но, кроме того, напоминает, по крайней мере метафорически, «изменение повадок» по Ламарку. Более того, система имеет некоторый уровень памяти, поскольку во многих организмах миРНК амплифицируются, и устойчивость к соответствующему вирусу может сохраняться в течение нескольких поколений (Ding, 2010). Подобная стабильность миРНК служит одним из проявлений получающего все более широкое признание РНК-опосредованного наследования, которое иногда называют парамутацией (Hollick, 2010). Ключевое отличие от CRISPR состоит в том, что (насколько известно в настоящее время) миРНК не записываются в геном, так что здесь имеет место лишь эпигенетическая наследственность ламарковского типа, но не полноценная генетическая наследственность.

Однако даже это различие размывается в случае piРНК, которые являются производными транспозонов. Это наиболее распространенные малые РНК в животном мире, образующие быстро растущие геномные кластеры, обеспечивающие защиту от мобильных элементов в зародышевой плазме (Bourc’his and Voinnet, 2010). В случае этих малых РНК, как и в ситуации с CRISPR, фрагменты генома мобильного элемента интегрируются в геном хозяина, где они быстро размножаются, видимо, под давлением отбора на эффективную защиту (Assis and Kondrashov, 2009). Такая система, похоже, отвечает всем критериям наследования приобретенных признаков и ламарковского режима эволюции. Здесь особенно примечательно, что изолированная зародышевая плазма, будучи важнейшим изобретением многоклеточных эукариот, которые, по-видимому, блокируют некоторые формы (квази)ламарковского наследования, такие как горизонтальный перенос генов (см. обсуждение далее в этой главе), сама выработала в процессе эволюции особую версию механизма ламарковского типа.

Целый ряд примечательных данных по растениям и животным, полученных совсем недавно, указывает на то, что эукариоты используют обратную транскрипцию для интеграции ДНК-копий генома РНК вирусов в хромосомы и могут затем использовать эти встроенные последовательности для производства миРНК или белков, обеспечивающих устойчивость к соответствующим вирусам (Feschotte, 2010; Horie et al., 2010; Koonin, 2010c). Эти механизмы еще предстоит исследовать более тщательно, но по идее они должны быть аналогичны CRISPR и, следовательно, являются ламарковскими.

Одним из главных открытий сравнительной геномики является демонстрация широкого распространения и высокой частоты горизонтального переноса генов среди прокариот, а также значительного уровня горизонтального переноса у одноклеточных эукариот (см. гл. 5 и 7). Прокариоты с легкостью усваивают ДНК из окружающей среды с помощью фагов и плазмид, служащих векторами, или же без векторов, через механизм трансформации, при участии мембранных насосов, специализирующихся на захвате ДНК.

Поглощенная ДНК часто интегрируется в хромосомы прокариот и может быть зафиксирована в популяции, даже если перенесенный генетический материал дает получателю совсем небольшое селективное преимущество или будучи вовсе нейтральным. Явление горизонтального переноса обладает очевидными ламарковскими признаками: ДНК черпаются из окружающей среды, и, естественно, вероятность приобретения генов, которые находятся в изобилии в данной среде, гораздо выше, чем вероятность захвата редкого гена. Второй компонент схемы Ламарка, повышение приспособленности за счет приобретенного признака, не реализуется во всех случаях фиксации горизонтального переноса, однако является значимым и достаточно обычным явлением.

Пожалуй, самый простой и привычный пример – эволюция резистентности к антибиотикам (Martinez, 2008; Wright, 2007). Когда чувствительная бактерия попадает в среду, где присутствуют антибиотики, единственный шанс для пришельца выжить заключен в приобретении гена устойчивости путем горизонтального переноса, как правило через плазмиды. Этот распространенный (и исключительно важный в практическом плане) феномен представляет собой ярко выраженный пример наследования по Ламарку. В самом деле, признак – в этом случае активность перенесенного гена, способствующего резистентности к антибиотикам, – приобретается под непосредственным влиянием окружающей среды и очевидным образом оказывается выгодным – часто необходимым в данных конкретных условиях.

Похожая картина наблюдается для генов фотосинтеза в океане: гены бактериородопсина, главного белка светозависимой биоэнергетики (протон-движущей силы) в галофильных археях, а также в многочисленных бактериях, как и гены фотосистем первого и второго типа, участвующие в хлорофиллзависимом фотосинтезе, судя по всему, распространяются горизонтальным переносом с высокой скоростью, часто посредством бактериофагов, выступающих в качестве переносчиков (Alperovitch-Lavy et al., 2011; Falkowski et al., 2008; Sullivan et al., 2006). Эти гены наделяют организм обладателя серьезным селективным преимуществом, так что они фиксируются с высокой частотой.

В целом любой случай горизонтального переноса, при котором приобретенный ген дает реципиенту преимущество с точки зрения воспроизводства в данной среде (которая благоприятствует передаче такого гена), по-видимому, удовлетворяет ламарковским критериям. Исследования по сравнительной геномике показывают, что горизонтальный перенос служит основным способом адаптации бактерий к окружающей среде путем расширения метаболических и сигнальных сетей, куда интегрируются новые горизонтально приобретенные гены и, таким образом, добавляют новые свойства в уже существующие схемы (Maslov et al., 2009). Количественно горизонтальный перенос, с его ламарковской компонентой, оказывается у прокариот гораздо более важным средством адаптации, нежели дупликация генов (Pal et al., 2005).

Интересным указанием на то, что горизонтальный перенос может быть адаптивным феноменом, служит уже упоминавшееся открытие агентов переноса генов (АПГ). Как отмечалось в главе 5, АПГ являются производными дефектных бактериофагов, которые заключают в себе, по-видимому, случайные фрагменты генома хозяина и переносят их внутри бактериальных и архейных популяций. Интереснейшие наблюдения переноса генов в морских бактериальных сообществах показывают, что АПГ довольно неразборчивы по отношению к бактериям, которых они инфицируют, и обеспечивают очень высокую интенсивность ГПГ (McDaniel et al., 2010). Свойства АПГ еще предстоит детально исследовать, но существует реальная возможность, что эти агенты представляют собой специально предназначенные для горизонтального переноса средства доставки, которые эволюционировали под селективным давлением, направленным на усиление обмена генами. Если это так, напрашивается вывод, что сам ГПГ выступает частично как адаптивный процесс (см. также обсуждение гипотезы оптимизации переноса в гл. 5). Подводя итог сказанному, мы, видимо, не можем избежать вывода, что некоторые из наиболее важных путей эволюции генома – по меньшей мере у прокариот – являются (квази)ламарковскими.

Дарвин подчеркивал эволюционную важность случайных, ненаправленных вариаций, в то время как ламарковская эволюция основана на направленной изменчивости, специфически вызываемой экологическими факторами. Реальная эволюция отвергает это противопоставление. Самой яркой иллюстрацией может служить комплекс разнообразных явлений, которые в совокупности известны как стресс-индуцированный мутагенез, одним из важных аспектов которого является активизация мобильных элементов. Явление такого типа впервые было описано Барбарой Макклинток, продемонстрировавшей (в серии классических экспериментов, которые в конечном итоге принесли ей Нобелевскую премию) активизацию «перескакивания генов» в растениях в условиях стресса, а также важность этой стресс-индуцированной мобильности отдельных «управляющих элементов» для возникновения резистентных фенотипов (McClintock, 1984).

Позднее столь же известный и спорный эксперимент Джона Кэрнса (John Cairns) с сотрудниками по восстановлению мутаций в Lac-опероне, индуцированному лактозой, впечатляющим образом вывел ламарковский механизм эволюции на видное место (Brisson, 2003; Cairns et al., 1988; Rosenberg, 2001). Кэрнс и его коллеги обнаружили заметное усиление реверсии мутаций рамки считывания в Lac-опероне в присутствии лактозы и смело предположили, что за наблюдаемым эффектом стоит классический ламарковский механизм эволюции – иначе говоря, лактоза непосредственно и направленно вызвала мутации в Lac-опероне.

Последующие, более тщательные исследования, включая работы Патрисии Фостер и самого Кэрнса, показали, что это не так: стресс, в частности выращивание культуры при недостатке питания, действительно вызывает мутации, но не в специфических локусах (Foster, 2000). Было показано, что все мутации, лежащие в основе реверсии Lac-фенотипа и других подобных фенотипов, дуцированы стрессом (Lac-клетки, высеянные на питательную среду с лактозой в качестве единственного источника углерода, испытывают голодный стресс), а не берутся из предсуществующего запаса редких, спонтанных мутаций.

Стресс-индуцированный мутагенез – в частности, механизм мутагенного восстановления в кишечной палочке, известный как SOS-репарация, – был открыт задолго до опытов Кэрнса. Более того, Мирослав Радман (Radman, 1975) и Харрисон Эколс (Echols, 1981) независимо друг от друга пришли к плодотворной мысли, что эта мутагенная форма репарации может быть адаптивным механизмом антистрессовой реакции, а не просто сбоем в работе восстановительных систем. Два десятилетия дальнейших исследований подтвердили эту замечательную идею, сомневаться в истинности которой уже нет разумных оснований. Несколько групп убедительных исследований подтверждают адаптивный характер неточной репарации ДНК (Foster, 2007; Galhardo et al., 2007; Rosenberg, 2001).

Активность SOS-каскада и других мутагенных механизмов репарации в бактериях тщательно регулируется, в частности, переключением с точного воспроизведения к подверженному ошибкам восстановлению разрывов двойной спирали под воздействием сигма-фактора РНК-полимеразы, RpoS, с тем чтобы, по-видимому, достичь оптимальной скорости мутаций. Важнее всего, что стресс-индуцированные мутации, возникающие вследствие склонных к ошибкам процессов репарации, хотя и не нацелены на конкретные гены, в то же время не разбросаны по геному беспорядочно. Напротив, эти мутации концентрируются вокруг двухцепочечных разрывов ДНК, которые вызваны различными стресс-факторами и привлекают к себе аппарат мутагенной репарации.

Мутагенная репарация могла возникнуть как специфический адаптивный механизм, который делает возможной координированную эволюцию групп функционально связанных генов (ключевая особенность геномной архитектуры у прокариот) в тех редких клетках, где происходят полезные мутации, одновременно ограничивая ущерб для других частей генома. Стресс-индуцированный мутагенез, в особенности активация ретротранспозонов, был продемонстрирован также у дрожжей и животных, и это дает основание предполагать, что такой путь адаптивной эволюции универсален для клеточных форм жизни.

По крайней мере среди бактерий стресс-индуцированный мутагенез – не редкий или экзотический, а крайне распространенный процесс. Среди сотен изученных природных штаммов E. Coli индуцированный мутагенез характерен для более 80 процентов стареющих колоний, и превышение числа мутаций, запускаемых стрессом, над конститутивными мутациями варьирует на несколько порядков (Bjedov et al., 2003).

Примечательно, что стресс-индуцированная и, по всей видимости, адаптивная нестабильность генома лежит также в основе рака. Хорошо известно, что опухоли развиваются (эволюционируют) в условиях постоянного кислородного стресса, который вызывает обширные перестройки генома и мутации. Главным образом благодаря этим стресс-индуцированным изменениям выживают мутанты, способные к неконтролируемому росту в условиях стресса. Несмотря на различия в конкретных механизмах мутагенной репарации и ее регулирования, злокачественные опухоли животных (включая человека) в принципе не так уж отличаются от бактериальной популяции, эволюционирующей в стрессовых условиях.

Адаптивная эволюция, происходящая в результате стресс-индуцированного мутагенеза, не является строго ламарковской, потому что стресс не вызывает мутации непосредственно и исключительно в генах, отвечающих за устойчивость к данному стрессу. Вместо этого в организмах развились механизмы, которые в ответ на стресс вызывают неспецифический мутагенез. Однако этот процесс, как оказывается, тонко настроен таким образом, чтобы минимизировать ущерб от вредных мутаций в тех редких геномах, которые содержат полезную мутацию. Механизмы этого типа лучше всего определить как квазиламарковские. Действительно, в случае стресс-индуцированного мутагенеза необходимо учитывать следующее:

1. Условия окружающей среды приводят к появлению мутаций.

2. В результате индуцированных мутаций возникает адаптация к факторам стресса, запустившим мутагенез.

3. Мутагенная репарация управляется сложными механизмами регуляции, что не оставляет никаких сомнений относительно адаптивного характера этого процесса.

Существует прямая связь между ламарковским аспектом стрессиндуцированного мутагенеза и горизонтальным переносом, проявляющаяся в явлении переноса детерминант резистентности, индуцируемого антибиотиками. Многие антибиотики вызывают SOS-ответ, что, в свою очередь, приводит к мобилизации интегративных конъюгационных элементов, которые служат переносчиками генов устойчивости к антибиотикам (Barriss et al., 2009). Аналогия с АПГ очевидна и абсолютно уместна. Здесь мы наблюдаем конвергенцию различных механизмов изменения генома в ламарковской модальности эволюции.

Континуум дарвиновских и ламарковских механизмов эволюции

В предыдущих разделах мы обсудили значительное разнообразие явлений. Некоторые из них, по-видимому, строго соответствуют критериям Ламарка, тогда как другие можно квалифицировать как квазиламарковские (см. табл. 9–1). Принципиальное различие между дарвиновским и ламарковским механизмами эволюции состоит в том, что первый опирается на случайную, ненаправленную изменчивость, второй же основан на вариациях, непосредственно обусловленных внешними стимулами и влекущих за собой специфический ответ на этот стимул (см. рис. 9–1). Ни Ламарк, ни Дарвин не знали ничего о механизмах возникновения и закрепления наследственных изменений, так что им было относительно легко допустить мысль, что фенотипические модификации напрямую транслируются в наследственные (или, как сказали бы в наше время, генетические или геномные) изменения. Тем не менее жесткий ламарковский сценарий крайне требователен, поскольку подразумевает, что должен существовать молекулярный механизм для точного перевода фенотипического изменения в соответствующую модификацию генома (мутацию). По всей видимости, фундаментального механизма для такой обратной геномной инженерии не существует, и не лишено смысла предположение, что подобные механизмы находятся под жестким контролем отбора, направленного против дестабилизации генома. Более того, передача информации от белков к нуклеиновым кислотам была бы крайне затруднительна физико-химически – эта трудность, по всей видимости, отражает разграничение между матричными и каталитическими биомолекулами, возникшее на ранних этапах эволюции жизни (см. гл. 12). Центральная догма молекулярной биологии (Crick, 1970), согласно которой поток информации от белков к нуклеиновым кислотам отсутствует, является частичным воплощением этого разделения. Однако в принципе обратный поток некоторых типов информации от фенотипа – или от окружающей среды, рассматриваемой как расширенный фенотип, – в геном не является невозможным, учитывая широкое распространение обратной транскрипции и ДНК-транспозиции. Для работы истинно ламарковского сценария требуются чрезвычайно изощренные механизмы; в двух примечательных случаях, систем CRISPR-Cas и piРНК (описанных ранее в этой главе), такие механизмы были обнаружены.

Существование других полноценных ламарковских систем вполне представимо и даже вероятно, что предполагает, в частности, открытие вирус-специфических последовательностей, которые потенциально несут устойчивость к генетически родственным вирусам в растительных и животных геномах (см. гл. 10). Тем не менее эти механизмы вряд ли представляют собой доминирующую тенденцию в геномной эволюции, возможно, в силу вышеупомянутой селекции против чрезмерной нестабильности генома. Механизмы, обозначенные в предыдущих разделах как квазиламарковские, напротив, повсеместны. По существу, они оказываются не менее поразительными – и не менее сложными, – чем оригинальный ламарковский сценарий: квазиламарковские процессы переводят случайные мутации в конкретные адаптивные реакции в ответ на стимулы внешней среды.

Тема мощных, часто неблагоприятных воздействий окружающей среды на организмы представляется общим мотивом для различных аспектов (квази)ламарковского режима эволюции, описанных в данной главе: для системы CRISPR-Cas, стресс-индуцированного мутагенеза и других явлений (см. табл. 9–1). Эта связь, скорее всего, не иллюзорна: кажется вполне логичным, что сильные (чрезвычайные) сигналы из окружающей среды инициируют (квази)ламарковские процессы, в то время как относительно слабые («обычное дело») сигналы транслируются в дарвиновскую модальность эволюции (см. рис. 9–3).

Обсуждая эволюционное значение горизонтального переноса генов, Энтони Пул предположил, что ламарковская составляющая горизонтального переноса становится иллюзорной, если посмотреть на эволюцию с «точки зрения гена» (Poole, 2009). Действительно, ламарковская модальность связана в первую очередь с организменным уровнем сложности и не распространяется на самый фундаментальный уровень эволюции, включающий гены, независимо эволюционирующие части гена (те, что кодируют различные белковые домены), а также мобильные элементы (см. гл. 6). Таким образом, ламарковская эволюция выступает в качестве «эмергентного феномена». Это, пожалуй, неудивительно, учитывая сложность механизмов, необходимых для интеграции нового генетического материала в геном при реализации ламарковской схемы.

Таблица 9–1. Ламарковские и квазиламарковские явления.

Рис. 9–3. Давление среды и переход от дарвиновского к ламарковскому режиму. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.

В целом сравнение между дарвиновским и ламарковским сценариями предполагает, что эволюция представляет собой континуум процессов, от совершенно случайных до истинно адаптивных, которые тонко регулируются для обеспечения определенного ответа на конкретный стимул. Принципиальный вывод, напрашивающийся по итогам многих новейших исследований, упомянутых в этой главе, состоит в том, что изменчивость генома предстает гораздо более сложным явлением, чем это казалось ранее, и регулируется сразу на нескольких уровнях, для того чтобы обеспечить адаптивную реакцию на изменения в окружающей среде. Устранение конфликта между ламарковским и дарвиновским эволюционными сценариями, обладая далеко не только историческим значением, влияет на наши фундаментальные взгляды на роль и место случайности в эволюции. Это представляется подлинной, хоть и недооцениваемой, сменой парадигмы в современной биологии.