Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Марков Александр Владимирович

Горький привкус победы, или Как дрожжи заплатили за успех

Эволюция — вечный поиск компромисса между противоречивыми требованиями, предъявляемыми организму сложной и переменчивой средой. В эволюции, как и в экономике, не бывает (ну, почти не бывает) «бесплатных обедов»: чтобы приобрести что-то одно, приходится отказаться от чего-то другого — либо от уже существующих полезных признаков, либо от возможности их приобретения в будущем. Второй вариант встречается чаще, поскольку отбор не заглядывает в будущее и не замечает таких потерь. Но и первый вариант нередок. К приобретению симбионтов это тоже относится: чтобы принять ценного гостя, порой приходится поступиться чем-то важным, например средствами защиты от похожих, но вредных «гостей».

РНК-интерференция — распространенный у эукариот защитный противовирусный механизм. Ключевую роль в РНК-интерференции играют белки Dicer и Argonaute. Система срабатывает, когда в клетке появляются двухцепочечные молекулы РНК (обычно это означает, что клетка заражена вирусом). Белок Dicer атакует двухцепочечную РНК и вырезает из нее короткие фрагменты, которые присоединяются к белку Argonaute. Образовавшийся комплекс из белка и короткой РНК находит и уничтожает любые молекулы РНК, содержащие такую же последовательность нуклеотидов, как в коротком фрагменте.

РНК-интерференция используется в экспериментах как удобный способ «выключения» генов. Достаточно ввести в клетку искусственно синтезированные двухцепочечные молекулы РНК с последовательностью нуклеотидов, соответствующей фрагменту какого-нибудь гена, чтобы все матричные РНК, считанные клеткой с этого гена, были уничтожены. В результате ген оказывается фактически выключенным: кодируемый им белок не синтезируется.

Эта замечательная методика, однако, неприменима к одному классическому лабораторному объекту — пекарским дрожжам Saccharomyces cerevisae. Этот вид дрожжей и несколько его ближайших родственников не имеют системы РНК-интерференции. Правда, недавно американские биологи обнаружили, что этот недостаток можно исправить. Для этого достаточно пересадить дрожжам гены белков Dicer и Argonaute от чуть более дальнего родственника — S. castellii, у которого система РНК-интерференции находится в рабочем состоянии. Действующую систему РНК-интерференции обнаружили и у других родственных видов (Drinnenberg et al., 2009). Это значит, что у предков пекарских дрожжей система тоже была исправна и по эволюционным меркам «сломалась» лишь недавно.

Что же заставило пекарские дрожжи отказаться от противовирусной защиты? Или, говоря более корректным языком, почему отбор не отсеял мутации, нарушившие работу системы РНК-интерференции у предков S. cerevisae?

Чтобы ответить на этот вопрос, авторы, ранее открывшие РНК-интерференцию у S. castellii, провели эксперименты с пекарскими дрожжами, у которых способность к РНК-интерференции была восстановлена путем пересадки двух генов от S. castellii. Генно-модифицированные дрожжи выращивали на 50 разных средах. Везде они размножались с такой же скоростью, что и «дикие» дрожжи без РНК-интерференции.

Зато обнаружилось, что S. cerevisae с восстановленной способностью к РНК-интерференции быстро теряют свой симбиотический вирус, который живет в их цитоплазме в виде комплекса из нескольких двухцепочечных молекул РНК. Этот вирус, известный под названием killer (убийца), содержит в своем геноме ген токсичного белка и одновременно защищает клетку, в которой находится, от действия токсина. Яд выделяется дрожжами в окружающую среду и убивает те дрожжевые клетки, у которых нет симбиотического вируса-убийцы. Это классическая система «яд — противоядие», которую используют многие симбионты и паразиты, чтобы повысить конкурентоспособность хозяина (как в данном случае) или чтобы не дать ему от себя избавиться.

РНК-интерференция разрушает двухцепочечную РНК вируса-убийцы. В результате дрожжи теряют способность вытеснять конкурентов, не имеющих вируса-убийцы, и становятся беззащитными перед конкурентами, у которых такой вирус есть. Таким образом, отсутствие РНК-интерференции дает дрожжам преимущество, позволяя им содержать в своих клетках полезный вирус.

Применимы ли эти выводы к другим грибам? Авторы провели целенаправленный поиск генов РНК-интерференции в геномах грибов, у которых есть вирусы-убийцы, а также поиск таких вирусов у грибов, о которых уже было известно, что РНК-интерференция у них есть.

Выяснилось, что между наличием вирусов-убийц и РНК-интерференции существует строгая отрицательная зависимость. У всех видов, имеющих вирусы-убийцы, нет РНК-интерференции. При этом родственные виды могут обладать РНК-интерференцией, но тогда у них наверняка нет вирусов-убийц.

Утрата генов РНК-интерференции произошла независимо в девяти эволюционных линиях грибов. В четырех случаях из девяти это сопровождалось приобретением вирусов-убийц. Случаев повторного приобретения генов путем ГПГ выявлено не было.

Почему РНК-интерференция была потеряна в пяти линиях, в которых вирусов-убийц обнаружить не удалось? Пока неизвестно. Может быть, такие вирусы были у их предков, но потом потерялись (как это произошло и в некоторых природных популяциях дрожжей).

Все девять случаев утраты РНК-интерференции произошли недавно: они приурочены к самым верхним, концевым веточкам эволюционного дерева. Если какие-то грибы и утрачивали РНК-интерференцию в более далеком прошлом, их потомки не дожили до наших дней. Возможно, это означает, что потеря РНК-интерференции в долгосрочной перспективе оказывается проигрышной стратегией и ведет к вымиранию (Drinnenberg et al., 2011).

Бактерии наследуют приобретенный иммунитет

Говоря о горизонтальном переносе у неродственных организмов и РНК-интерференции, нельзя не упомянуть об одном исключительном явлении — приобретенном иммунитете у бактерий. Это явление замечательно вдвойне. Это, во-первых, неопровержимый случай наследования приобретенных признаков (о чем так долго спорили и продолжают спорить биологи) и, во-вторых, горизонтальный перенос, поставленный на конвейер и работающий на пользу своему хозяину. Речь идет о так называемой CRISPR-системе.

В книге «Рождение сложности» в главе о наследовании приобретенных признаков мы рассказали о смелой гипотезе австралийского иммунолога Эдварда Стила и его коллег, предположивших, что приобретенный иммунитет у позвоночных иногда может наследоваться (Стил и др., 2002). Будь это так, пришлось бы признать реальность «ламарковского» наследования приобретенных признаков у позвоночных, пусть и в виде редкого, специфического исключения. Но прошло уже больше десятилетия, а гипотеза Стила так и не получила весомых подтверждений. При нынешних темпах развития биологии это означает, что Стил был не прав и приобретенный иммунитет у позвоночных не наследуется.