Александр Марков - Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Бактерия Bacillus subtilis — излюбленный модельный объект генетиков и молекулярных биологов. О повадках этого микроба мы немного рассказали в книге «Рождение сложности». При наступлении неблагоприятных условий бактерии переходят к каннибализму, причем у некоторых особей (вот она, клеточная стохастика!) отключаются защитные механизмы, что позволяет другим их съесть. Если это не помогает и голод продолжается, бактерии производят споры, способные переждать тяжелые времена. Процесс образования спор (споруляция) у B. subtilis подробно изучен.

Исследователи работали с 53 мутантными штаммами B. subtilis . Штаммы были сконструированы при помощи генно-инженерных методов. В геном бактерии вносились различные мутации, нарушающие работу гена spoIIR . Этот ген необходим для того, чтобы формирующаяся спора могла передать в материнскую клетку сигнал, блокирующий формирование второй перегородки-септы (см. рисунок).

Схема споруляции у B. subtilis . Серыми стрелками показано образование септы (перегородки), которая отделяет будущую спору от материнской клетки. Кольцевые хромосомы показаны в виде двух перекрученных петель. Регуляторный белок σ F , образующийся в будущей споре, активизирует ген spoIIR, который на рисунке для краткости обозначен IIR. Это приводит к тому, что другой сигнальный белок, σ Е , блокирует формирование второй септы на противоположном конце материнской клетки. Из Eldar et al., 2009 .

Хотя мутации были разные, фенотипический эффект у них оказался похожим. Во всех случаях произошла дестабилизация системы спорообразования. Вместо одного-единственного пути развития, который характерен для «диких» бактерий (образование одной споры в каждой клетке), бактерии-мутанты демонстрировали несколько вариантов развития, причем выбор того или иного варианта осуществлялся случайным образом. Генотип влиял только на вероятность, т. е. частоту реализации каждого из них. Варианты были следующие.

1. Нормальная споруляция. В этом случае, несмотря на мутацию, «пытающуюся» нарушить нормальный ход развития, белок σ Eвсе равно образуется в материнской клетке в нужное время и в достаточном количестве. Поэтому образование второй септы своевременно блокируется, и дальнейшее развитие идет так же, как у «диких» бактерий. Это можно считать проявлением помехоустойчивости онтогенеза, а можно назвать неполной пенетрантностью вредной мутации, что по сути одно и то же.

2. Неудачная попытка образовать сразу две споры в одной материнской клетке. Белок σ Eвырабатывается в недостаточном количестве (или слишком поздно), и в результате вторая септа успевает сформироваться. Получается нежизнеспособная конструкция из двух незрелых спор, содержащих по хромосоме, а между ними — лишенная хромосомы материнская клетка. Это заканчивается гибелью всех троих.

3. Прерванная споруляция. Начавшийся процесс формирования споры прерывается, «зачаток» споры отмирает, а материнская клетка начинает расти. При этом в ней происходит репликация ДНК, т. е. хромосома сначала удваивается, а потом иногда и утраивается. Такая клетка может затем перейти к обычному делению, а может «вспомнить», что собиралась заняться производством спор, и тогда начинается самое интересное: возникает вариант 4.

4. Споры-близнецы. Если в клетке, прервавшей споруляцию, произойдет утроение хромосомы, а потом споруляция возобновится, то получается материнская клетка (со своей хромосомой), на концах которой образуются две жизнеспособные споры, тоже содержащие каждая по одной хромосоме. Эти споры в подходящих условиях нормально прорастают (т. е. превращаются в обычных питающихся и делящихся бактерий) и вообще ничем не отличаются от нормальных спор B. subtilis .

5. Одиночная спора в диплоидной материнской клетке. Клетка с тремя хромосомами может произвести не две, а одну спору. В этом случае в материнской клетке остается две хромосомы. Спора при этом тоже получается нормальная, как и в варианте 4.

Альтернативные пути развития у бактерий с дестабилизированной системой споруляции. Черными точками показаны хромосомы. Светло-серым цветом выделены формирующиеся споры (в них вырабатывается белок σF ), темно-серым — материнские клетки (в них вырабатывается белок σE ). По горизонтальной оси — число хромосом, по вертикальной — число «отсеков», на которые разделилась исходная клетка. Стрелка со звездочкой символизирует возможность возвращения к обычному размножению путем деления. Из Eldar et al., 2009 .

Таким образом, дестабилизация развития приводит к тому, что наряду с «нормой» (вариант 1) появляется четыре «морфоза», или альтернативных пути развития (варианты 2–5). Весь этот спектр морфозов проявляется в генетически однородных популяциях каждого из 53 мутантных штаммов. Иными словами, мутантные бактерии с одинаковым геномом «выбирают» один из пяти путей развития случайным образом. От конкретной мутации — т. е. от того, как именно нарушена работа гена spoIIR , — зависит лишь частота реализации этих путей.

Из четырех возникших морфозов один безусловно вреден (№ 2), два других (№ 3 и 5) не создают ничего принципиально нового и вряд ли могут оказаться полезными — скорее всего, они приведут только к лишним тратам ресурсов, т. е. окажутся неадаптивными.

Наиболее интересен морфоз № 4 — образование жизнеспособных спор-близнецов. В принципе такое изменение механизма споруляции может оказаться полезным — например, в том случае, если условия среды очень нестабильны, обычный способ размножения (деление клеток надвое) реализовать трудно и удобнее размножаться спорами.

Если формирование спор-близнецов может быть полезным, то следует ожидать, что у каких-нибудь бактерий такой способ размножения закрепился и стал нормой. Это действительно так: у многих бактерий из группы клостридий «близнецовая споруляция» является нормальным способом размножения. Авторы изучили близнецовую споруляцию у некоторых клостридий и пришли к выводу, что она протекает точно так же, как у мутантных B. subtilis . Надо сказать, что генные системы, управляющие споруляцией у клостридий и B. subtilis , гомологичны, т. е. имеют единое происхождение, однако в природе у B. subtilis близнецовая споруляция никогда не встречается.

Итак, дестабилизация онтогенеза привела к появлению морфоза (аномального пути развития), который потенциально может оказаться полезным. Однако в исследованных мутантных штаммах этот путь развития реализуется лишь у небольшой части особей, т. е. представляет собой редкую аномалию. Сначала клетка должна «выбрать» вариант развития № 3 («прерванная споруляция»); частота такого выбора зависит от конкретной мутации. Из особей, сделавших такой выбор, примерно 25 % снова приступают к споруляции, а из них лишь у 5 % образуются споры-близнецы. Таким образом, потенциально полезный морфоз возникает у мутантов очень редко. Может ли он в дальнейшем стабилизироваться, иными словами — стать нормой?