Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы
Шрифт:
Но мутации возникают не только потому, что невозможно копировать ДНК с абсолютной точностью. Мы привыкли думать, что мутации — это всегда некое нарушение, неправильность, ошибка, то есть что-то нежелательное, «мешающее нормально жить». В действительности это не всегда так. Изменение наследственной информации — неотъемлемая и необходимая часть жизни. Если бы геномы не менялись, на нашей планете, возможно, до сих пор жил бы только один вид очень примитивных микробов — тот самый Лука, общий предок всего живого (см. главу «Происхождение жизни»). Впрочем, и он бы давно вымер, не смог бы долго продержаться с неизменным геномом. А если бы молекулы РНК копировались с абсолютной точностью на этапе «преджизни», то и никакой Лука никогда бы не появился. Об этом, между прочим, свидетельствуют результаты экспериментов, проводимых исследователями РНК-мира. Для того чтобы в сообществе размножающихся молекул РНК зародилось что-то новое и полезное, совершенно необходимо, чтобы отдельные короткие молекулы, соединяясь в более длинные, могли обмениваться друг с другом своими участками (обмен участками между разными молекулами ДНК или РНК называется рекомбинацией). Рекомбинация — важнейший источник наследственной изменчивости наряду с «обычными» мутациями. В опытах с колониями РНК рекомбинация происходит сама собой, бесконтрольно, но в живой клетке она находится под контролем разнообразных и сложных регуляторных систем.
Очень важно понять, что изменения наследственной информации нужны всему живому не только в геологическом масштабе времени, чтобы постепенно совершенствоваться в течение миллионов лет. Естественный отбор не может «заглянуть» так далеко, поэтому и специальные механизмы для достижения столь отдаленных целей не могут развиться. Но наследственные изменения нужны здесь и сейчас, они необходимы нам постоянно. Особенно наглядно это видно на примере простейших живых систем — вирусов. Многие ученые, правда, не считают их живыми организмами, поскольку они не могут размножаться без помощи чужих клеток, но все же многие свойства живого у них есть. Да и кто в этом мире может похвастать абсолютной самодостаточностью? Разве что «отважный странник», подземный микроб, о котором рассказано во второй главе.
На примере вирусов хорошо видно, как они нарочно позволяют определенному количеству мутаций совершаться при каждой репликации. Таким способом они контролируют скорость мутирования и фактически превращают эволюцию в составную часть своего жизненного цикла, чуть ли не в основной компонент своего поведения.
—————
Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание. Большинство вирусов, вызывающих болезни человека, — РНК-содержащие. Их наследственный материал хранится в форме РНК, а не ДНК, как у всех других форм жизни. Среди немногочисленных белков, закодированных в геноме таких вирусов, присутствует фермент РНК-зависимая РНК-полимераза, синтезирующий новые копии вирусной РНК (см. главу 1).
Популяции РНК-содержащих вирусов неоднородны: они состоят из целого набора генетически различающихся линий. Такие полиморфные популяции называют «квазивидами» — по аналогии с видами настоящих живых организмов, которые тоже всегда полиморфны. Процесс удвоения (репликации) вирусной РНК происходит с большим числом ошибок (мутаций), благодаря чему могут быстро возникать новые варианты вируса. У полиовируса — возбудителя полиомиелита — на каждый акт репликации приходится в среднем 1,9 мутаций. При этом, конечно, появляется много нежизнеспособных вариантов, однако эти потери оправданы. Высокая скорость мутирования помогает вирусам приспосабливаться к меняющимся условиям — к деятельности иммунной системы хозяина, новым лекарствам, переходам от одного хозяина к другому и из ткани в ткань.
Марко Виньюцци из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (США) и его коллеги, изучающие полиовирусов, предположили, что дело здесь не ограничивается поиском оптимального для данной ситуации варианта генома методом «случайного попадания». Возможно, возникающие в пределах квазивида вариации могут помогать друг другу за счет разделения функций. Например, в одной линии может возникнуть мутация, повышающая скорость репликации вирусной РНК, в другой линии — другая мутация, повышающая, например, эффективность самосборки белковых молекул в вирусную оболочку — капсид. Поскольку обе линии живут и размножаются в одной и той же хозяйской клетке, они могут пользоваться «достижениями» друг друга. Эффективная РНК-полимераза первой линии будет размножать и геномы второй, а более эффективные капсидные белки второй линии будут «упаковывать» и РНК первой. Кстати, не исключено, что совместить обе эти мутации в одном и том же геноме просто невозможно. Вирусный геном очень мал, и у него не так уж много степеней свободы, то есть вариантов мутаций, совместимых с «жизнью» вируса. Бывает даже, что у двух разных генов имеется общий кусок, настолько вирусы экономны в отношении наследственного материала. В этом случае изменения в одном белке неизбежно будут приводить к изменениям в другом.
Возможность экспериментальной проверки гипотезы о взаимопомощи среди вирусов появилась благодаря тому, что Виньюцци и его коллегам удалось обнаружить и выделить мутантную форму полиовируса со «сверхточной» РНК-полимеразой, совершающей очень мало ошибок при копировании РНК. Эта мутация происходит из-за замены глицина (G) серином (S) в 64-й позиции РНК-полимеразы. В соответствии с этим мутация получила название G64S. Эта мутация ведет к тому, что вирусы начинают мутировать с аномально низкой частотой — 0,3 мутации на геном вместо положенных 1,9 [82] .
Первым делом ученые проверили, действительно ли скорость мутирования важна для приспособляемости вирусов. Это подтвердилось: вирусы G64S приспосабливались к неблагоприятным условиям (лекарствам, ингибиторам) гораздо медленнее своих «диких» собратьев. Кроме того, вирусы G64S оказались неспособны проникать в спинной и головной мозг зараженных мышей, как это делают нормальные полиовирусы с высокой скоростью мутирования. Однако искусственное увеличение темпа мутагенеза привело к тому, что вирусы G64S стали проникать в мозг и размножаться там. При этом полиморфизм вирусной популяции вырос, но мутация G64S сохранилась у всех линий.
Исследователи провели серию остроумных экспериментов, показывающих, что общая «эффективность» популяции вирусов зависит не от наличия в ней какой-то одной особо удачной линии, а от кооперативного взаимодействия нескольких разных линий, помогающих друг другу. Например, удалось показать, что вирусы G64S сами по себе не способны проникать в мозг, но успешно проникают туда в компании с другими вирусными популяциями — как «дикими», так и другими G64S, предварительно подвергавшимися действию искусственных стимуляторов мутагенеза. Следовательно, одни линии вирусов помогают другим преодолеть гематоэнцефалический барьер [83] .
Эксперименты блестяще подтвердили гипотезу о взаимовыгодной кооперации между разнообразными мутантами, составляющими вирусную популяцию — квазивид. Это означает, что эволюционирующей единицей является не отдельная линия и тем более не один вирус, а весь квазивид в целом, причем внутреннее разнообразие — залог успеха. Одна линия, даже самая совершенная, всегда будет проигрывать полиморфному квазивиду, включающему несколько взаимодополняющих линий.
(Источник: Vignuzzi et al. Quasispecies diversity determines pathogenesis through cooperative interactions in a viral population // Nature. 2006. V. 439. P. 344–348.)
—————
82
Мутация G64S закрепилась у вирусов в процессе приспособления к одному из лекарств, которое делает скорость мутирования у вирусов выше допустимого предела.
83
Утолщение оболочки кровеносных сосудов мозга препятствует проникновению крупных молекул и частиц, в том числе вирусов, из крови в мозг. Аналогичным образом устроен у млекопитающих и «вейсмановский» гематотестикулярный барьер, препятствующий проникновению вирусов в семенники (см. главу «Наследуются ли приобретенные признаки?»).
Частота мутаций под контролем
Ярким примером того, как живые организмы регулируют скорость мутагенеза выгодным для себя образом, является имеющаяся у бактерий система «спасения утопающих» — SOS-response. Бактерия, как и любая живая клетка, не может «рассчитать», какое именно изменение генома ей в данный момент выгодно, и не может перекроить свои гены по заранее намеченному плану. Но иногда, когда условия жизни становятся невыносимыми, бывает выгодно увеличить частоту возникновения случайных мутаций во всем геноме или в отдельных его участках. И делать это бактерии умеют. Например, у кишечной палочки обнаружены так называемые SOS-гены, включающиеся в экстренных случаях. Один из них — ген dinB — кодирует склонную к ошибкам ДНК-полимеразу. В благоприятных условиях у бактерии включены гены обычных, редко ошибающихся ДНК-полимераз, и скорость мутирования остается низкой. Активизация гена dinB приводит к резкому увеличению частоты мутаций. В некоторых смертельно опасных ситуациях это может оказаться спасительным для гибнущей популяции микробов: вдруг какой-то из возникших мутантов окажется более жизнеспособным в данных условиях? Бактерии, таким образом, используют увеличение частоты мутирования как экстренную меру самосохранения. Молекулярные биологи уже научились ловко манипулировать этим свойством бактерий и активно используют его для создания различных экспериментальных генно-инженерных конструкций.
Бактерия Salmonella typhimurium
Недавно шведские ученые при помощи таких конструкций сумели доказать, что у бактерий имеются эффективные средства для уменьшения вреда, приносимого накапливающимися в геноме мутациями [84] . Исследователи задались вопросом: как меняется жизнеспособность организма в ходе накопления в геноме случайных мутаций? Для своего эксперимента ученые создали настоящее чудо генной инженерии — бактерию с регулируемой скоростью мутагенеза. Для этого они соединили ген dinB, кодирующий склонную к ошибкам ДНК-полимеразу, с промотором, который активируется сахаром арабинозой. Промотор — это регуляторный участок ДНК, который определяет, как и когда будет работать соседний с ним ген. Получившуюся конструкцию вставили в геном бактерии Salmonella typhimurium. Это дало возможность очень тонко регулировать скорость мутагенеза генно-модифицированной бактерии, просто меняя концентрацию арабинозы в среде. Чем больше арабинозы, тем активнее работает ген dinB и тем больше ошибок-мутаций происходит при репликации (копировании) молекулы ДНК.
84
Sophie Maisnier-Patin, John R. Roth, Åsa Fredriksson, Thomas Nyström, Otto G Berg & Dan I Andersson. Genomic buffering mitigates the effects of deleterious mutations in bacteria // Nature Genetics. 2005. V. 37. № 12. P. 1376–1379.
Снижение жизнеспособности (вертикальная ось) по мере роста числа мутаций сначала идет быстро, а потом замедляется (черные точки). Наклонный пунктирный отрезок показывает, каким было бы снижение жизнеспособности без эффекта «взаимной нейтрализации».
Авторы показали, что мутации у модифицированной бактерии происходят более или менее случайным образом и распределяются равномерно по всему геному.
Жизнеспособность бактерий-мутантов оценивалась по скорости их размножения. Оказалось, что по мере накопления мутаций жизнеспособность сначала снижается быстро, но в дальнейшем, когда число мутаций переваливает за 3–5 десятков, снижение жизнеспособности резко замедляется.
Оказалось, что снижение вредоносности мутаций по мере роста их числа связано с деятельностью белков-шаперонов, обеспечивающих правильное сворачивание (укладку) белковых молекул. Повышение числа мутантных (и потому неправильно «свернутых») белков в клетке приводит к росту производства шаперонов, которым иногда удается помочь мутантному белку свернуться правильно. Таким образом, живая клетка в некоторых случаях способна не только регулировать скорость мутирования своего генома, но и эффективно справляться с вредоносным действием возникших мутаций.
Наличие подобных компенсаторных механизмов дает организмам возможность без чрезмерного ущерба для себя накапливать мутации, которые могут в дальнейшем «пригодиться» естественному отбору для создания новых форм жизни. Ведь любая мутация, вредная сегодня, может оказаться полезной завтра, когда условия переменятся.
Рост изменчивости в стрессовых условиях может происходить не только за счет увеличения частоты мутирования, но и из-за сбоев в работе «компенсирующих» механизмов — например, белков-шаперонов, которые до поры до времени «маскируют» значительную часть накопившихся мутаций, не дают им проявляться.
Конечно, склонные к ошибкам ДНК-полимеразы лишь увеличивают частоту мутаций, не влияя на их характер, который остается случайным. И тем не менее существование такого механизма заставляет признать, что для живых организмов мутагенез вовсе не является некой не зависящей от них внешней силой, слепым «давлением энтропии», как полагали биологи еще пару десятилетий назад. Ошибка, частота возникновения которой целенаправленно регулируется, — это уже как будто и не совсем ошибка, не правда ли?
Бывает и так, что разные участки генома мутируют с разной скоростью, причем у каждого участка эта скорость довольно постоянна. По-видимому, это означает, что одним генам организм «разрешает» мутировать чаще, чем другим.
—————
«Адаптивное мутирование». Это явление обнаружено у бактерий-мутантов, которые в результате мутации утратили способность использовать в пищу определенные виды сахаров. Оказалось, что если поместить этих бактерий в среду, где именно эти сахара являются единственным источником пищи, то бактерии сначала прекращают расти, а потом среди них появляются так называемые ревертанты — микробы, у которых в результате обратной мутации функция испорченного фермента восстановилась. Так вот, частота возникновения ревертантов оказалась во много раз выше, чем следовало ожидать при случайном характере мутирования.
Вполне возможно, что в действительности в данном случае имеет место не направленное мутирование, а лишь некая его имитация. Согласно одной из версий, в стрессовых условиях происходит отбор микробов, у которых испорченный ген дуплицирован (присутствует в нескольких копиях). Такие микробы получают преимущество, поскольку испорченный фермент хоть и плохо, но все-таки расщепляет данный сахар. Ну а потом уже среди этих размножившихся микробов возникают ревертанты. Большое число копий испорченного гена повышает вероятность того, что хотя бы в одной из них произойдет нужная мутация.
—————