Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Марков Александр Владимирович

Оказалось, что в десяти случаях из 66 добавление нового белка изменило поведение сигнального каскада. У одних штаммов изменился базовый уровень активности, у других — интенсивность реакции на феромон.

Но эти изменения теоретически могли быть вызваны не перекомбинированием доменов в добавленном белке, а просто тем, что какого-то домена в клетке стало больше. Чтобы исключить эту возможность, провели контрольные эксперименты. В клетки вставляли дополнительные копии целых генов и их усеченных, но работающих вариантов (кодирующих только один из доменов многодоменного белка). Эти манипуляции, однако, не повлияли на работу сигнального каскада. Значит, полученные в эксперименте новые признаки связаны именно с новыми свойствами белков, образованных путем перекомбинирования доменов.

Приводит ли более интенсивная работа сигнального каскада к реальному повышению половой активности? Чтобы это выяснить, исследователи смешивали модифицированные дрожжи с дикими дрожжами другого пола (альфа) и подсчитывали число успешных слияний. Оказалось, что те клетки, у которых скорость реагирования каскада на феромон увеличилась, действительно спариваются чаще, чем контрольные, и наоборот — те клетки, у которых чувствительность каскада снизилась, спариваются реже.

Рекордсменами оказались дрожжи с искусственным белком, состоящим из половинок Ste50 и Ste7, и с другим химерным белком, собранным из фрагментов Ste5 и Ste11. Эти «половые гиганты» спаривались втрое чаще, чем контрольные исходные дрожжи.

Для некоторых случаев удалось расшифровать молекулярные механизмы возникших изменений. Например, белок, собранный из регуляторного домена Ste5 и каталитического домена Ste11, создал новый «обходной» путь передачи сигнала от рецептора Ste2 к Fus3. Это заставляет клетку интенсивнее реагировать на феромон, что повышает вероятность спаривания.

Может ли повышение половой активности дрожжей, наблюдавшееся в эксперименте, быть полезным? Будет ли оно поддержано отбором, если такая мутация возникнет в природной популяции? Судя по тому, что мы знаем о действии отбора на склонность к сексу (см. главу 3), это возможно, особенно в неблагоприятных и переменчивых условиях. В эксперименте повышение половой активности ничуть не повредило здоровью подопытных клеток.

Такие исследования показывают, что перекомбинирование доменов может быть важным источником эволюционных новшеств — наряду с другими «крупномасштабными» мутациями, такими как дупликация генов и появление новых регуляторных участков ДНК. Важно, что перекомбинирование может приводить к мгновенному появлению новых признаков, тогда как дупликация генов создает новшества не сразу, а лишь после того, как две копии гена хоть немного «разойдутся» по своим функциям, накопив нуклеотидные замены.

—————

Комбинаторика, поставленная на поток

Большинство генов у эукариот состоит из кодирующих участков — экзонов и некодирующих вставок между ними — интронов. Интроны — потомки мобильных генетических элементов, буйно расплодившихся в геномах ранних эукариот. Экзонно-интронная структура генов облегчает создание новых белков комбинаторным путем, хотя возникла она, конечно, не для этого. Тем не менее, раз уж так получилось и гены эукариот приобрели экзонно-интронную структуру, это открыло перед эволюцией интересные возможности.

Интроны необходимо удалить, прежде чем синтезировать белок на основе инструкций, записанных в гене. Если этого не сделать, интроны начнут транслироваться, и вместо рабочего белка получится ерунда. Для удаления интронов из молекул матричных РНК (мРНК), считанных с гена, развился механизм сплайсинга. Мобильные элементы — предки интронов — сами себя вырезали из мРНК. Это были «самосплайсирующиеся» элементы (такие и сейчас есть у некоторых прокариот). Если бы они этого не делали, зараженный ими геном стал бы нежизнеспособным, а вместе с ним погибли бы и они сами. У древних эукариот функция сплайсинга перешла от интронов к специальным молекулярным машинкам — сплайсосомам. В состав сплайсосом входят молекулы РНК — наследники тех частей древних самосплайсирующихся интронов, которые, собственно, и осуществляли самосплайсинг. Интроны, разумеется, должны содержать (и действительно содержат) в своей последовательности нуклеотидов специальные сигнальные участки, по которым сплайсосома распознает интрон и определяет, где у него конец и где начало — иначе интрон не может быть вырезан.

С универсальной системой вырезания интронов у эукариот появилась возможность изготавливать новые белки путем альтернативного сплайсинга. Так называют ситуацию, когда одна и та же молекула мРНК в зависимости от условий комбинируется (на генетическом жаргоне это звучит как «сплайсируется») по-разному. Например, в клетках печени из конкретной мРНК вырезаются только интроны, а в клетках мозга из нее же вместе с двумя соседними интронами вырезается и расположенный между ними экзон. Получается два разных белка, синтезируемых на основе одного и того же гена.

Недавно выяснилось, что альтернативный сплайсинг чаще всего используется у самых сложных организмов, таких как наземные позвоночные, и особенно млекопитающие. Более того, оказалось, что у приматов — к которым мы имеем честь принадлежать — альтернативный сплайсинг развит в полтора-два раза сильнее, чем у других млекопитающих (Barbosa-Morais et al., 2012).

Именно поэтому у человека и других приматов разнообразие белков намного выше, чем у дрозофилы или червя C. elegans, хотя по числу белок-кодирующих генов все эти животные не так уж сильно отличаются друг от друга. Как мы помним из главы 3, нельзя до бесконечности наращивать количество полезных генов в геноме, потому что это повышает риск генетического вырождения. Так вот, похоже на то, что альтернативный сплайсинг стал для высших животных удобным способом увеличивать разнообразие белков, не повышая числа генов в геноме.

Альтернативный сплайсинг позволяет по-разному комбинировать экзоны одного и того же гена. При этом порядок экзонов не меняется: разница только в том, что одни экзоны могут быть выброшены вместе с интронами, а другие оставлены. В некоторых генах даже возникли целые наборы — «кассеты» альтернативных экзонов, причем в зрелую мРНК после сплайсинга попадает только один экзон из каждой кассеты. Об одном из таких генов (DSCAM) мы рассказали в заключительной главе «Рождения сложности».

Однако альтернативный сплайсинг не позволяет комбинировать экзоны, входящие в состав разных генов. Для этого нужны перестройки уже не на уровне мРНК, а на уровне геномной ДНК: нужны транспозиции, т. е. перемещения фрагментов ДНК из одного места генома в другое. Это не редкость — случайные транспозиции являются одним из классических типов геномных мутаций, а для геномных паразитов — транспозонов это и вовсе стиль жизни. Вопрос в том, играет ли перекомбинирование экзонов в геномной ДНК существенную роль в появлении эволюционных новшеств.

У эукариот есть немало белков, скорее всего, возникших именно этим способом. Интересно, что они крайне неравномерно распределены по эволюционному дереву. Их очень много у животных, причем у всех — от губок до млекопитающих. У других эукариот (растений, грибов и протистов) их намного меньше. Функции большинства таких многодоменных белков животных связаны с поддержанием целостности организма (взаимодействие клеток, формирование тканей, прием и передача сигналов, формирование межклеточной среды и т. п.). Похоже, на ранних этапах эволюции животного царства был своеобразный бум формирования новых генов путем перекомбинирования экзонов (Patthy, 1999).

—————

Горизонтальный перенос генов и симбиоз

Дупликация и перестановки участков ДНК одного и того же генома открывают большие эволюционные возможности. Еще больше их дает комбинирование фрагментов разных, неродственных геномов [76] . Обмен генами между неродственными организмами можно уподобить генной дупликации, сильно растянутой во времени. Ведь любые два организма имеют общего предка (а степень их родства определяется тем, как давно он жил). Разделение предкового вида на два в чем-то подобно дупликации: два генома отныне будут эволюционировать независимо друг от друга, приспосабливаясь к разным факторам среды и накапливая разные мутации. Если по прошествии миллионов лет представитель одного из видов-потомков заимствует ген у другого и встроит его в свой геном, где сохранилась другая, иначе изменившаяся копия того же самого предкового гена, это и впрямь напоминает дупликацию с разделением функций.

76

О генетическом обмене с родственными организмами мы уже говорили в главе 2, теперь поговорим о неродственном ГПГ.

Разнообразие живых существ очень велико, столь же огромно и разнообразие генетических вариантов. Какие возможности открылись бы перед эволюцией, если бы живые существа научились брать из глобального генетического «банка данных» именно то, что им нужно! Но они этому так и не научились (за исключением Homo sapiens — единственного вида, начавшего осваивать сознательную генную инженерию) и берут, как правило, наугад. Иногда это приводит к успеху, но нечасто. На одну удачную попытку, скорее всего, приходятся миллионы неудачных.

Есть и еще более радикальный способ скомбинировать в одном организме эволюционные достижения давно разошедшихся линий. Это симбиогенез — формирование нового организма путем объединения двух старых.

Оба явления, неродственный ГПГ и симбиогенез, рассмотрены в книге «Рождение сложности». Однако за те пять лет, что прошли с момента ее написания, в этой области были сделаны новые удивительные открытия, о которых нельзя не рассказать.

ВОЙНА СИМБИОНТОВ.

Наездники — большая группа паразитических перепончатокрылых насекомых, откладывающих яйца в тела других насекомых. Личинки наездников пожирают жертву заживо изнутри. В «Рождении сложности» мы упомянули о том, что многие наездники вводят в тела своих жертв помимо яиц еще и особые вирусоподобные частицы, которые помогают личинкам паразита подавить иммунную защиту хозяина. Как выяснилось, гены, управляющие формированием этих частиц, были заимствованы наездниками у настоящего вируса, который 100 млн лет назад встроился в геном их предка (B'ezier et al., 2009).

Но жертвы наездников небеззащитны. Как известно, многие насекомые буквально нашпигованы различными симбиотическими микробами. Симбионты помогают хозяевам решать многие жизненные задачи: от синтеза незаменимых аминокислот и витаминов до переваривания химически чистой целлюлозы, фиксации атмосферного азота и борьбы с сорняками на грибных плантациях муравьев-земледельцев.

В круг задач, выполняемых симбионтами, входит и защита хозяев от наездников. Именно эту роль взяла на себя бактерия Hamiltonella defensa, обитающая в клетках многих насекомых, питающихся растительными соками. Гамильтонелла выделяет вещества, смертельные для личинок наездников: в этом и состоит защита. Бактерия, как и другие внутриклеточные симбионты, наследуется по материнской линии: она проникает в яйца, которые откладывает зараженная самка. Не побрезговали такой микробной защитой и гороховые тли Acyrthosiphon pisum.

Итак, наездники атакуют тлю при помощи симбиотических вирусов, а та защищается симбиотическими бактериями. Однако детальные исследования показали, что в действительности все еще интереснее. Как выяснилось, защиту обеспечивают не любые гамильтонеллы, а только те, в чей геном встроился вирус-бактериофаг APSE (A. pisum secondary endosymbiont). В геноме этого вируса содержатся гены токсичных белков. Именно эти токсины, закодированные в вирусном геноме, используются симбиотическим комплексом «тля — бактерия — вирус» для борьбы с общим врагом — личинками наездника (Oliver et al., 2009). Насекомые ведут друг с другом настоящую вирусологическую войну!