Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

«Канонические» геномы многих бактерий и архей включают, в дополнение к «главной» хромосоме (или хромосомам), один или больше неотъемлемых, относительно больших и стабильных внехромосомных элемента, часто называемых мегаплазмидами. Мегаплазмиды могут удивительно долго сохраняться в процессе эволюции. Например, единственная мегаплазмида бактерии Thermus thermophilis гомологична одному или двум мегаплазмидам бактерии Deinococcus radiodurans и, следовательно, произошла от общего предка этих родственных, но сильно разошедшихся бактерий (Omelchenko et al., 2005). Однако в процессе эволюции этой древней группы бактерий мегаплазмиды накопили (относительно своих размеров) намного больше отличий в составе генов, чем хромосомы. Кроме того, мегаплазмиды имеют много горизонтально перенесенных генов, включая гены термофильных организмов, которые, очевидно, были приобретены линией Thermus и важны для их термофильного стиля жизни. Таким образом, хотя мегаплазмиды могут существовать в геномах прокариот в течение продолжительного по эволюционным меркам времени, они демонстрируют большую эволюционную пластичность, чем хромосомы, и служат своеобразными «запасниками» для ГПГ.

Почти все секвенированные геномы прокариот содержат следы интеграции многочисленных плазмид и фагов. В частности, примечательно, что большинство геномов архей обладают несколькими версиями оперона herA-nurA , который кодирует ключевые компоненты (АТФазы и нуклеазы) механизма сегрегации плазмид после репликации. Каждый из этих оперонов является остатком отдельного репликона, таким образом, слияние репликонов , по-видимому, является у прокариот достаточно частым событием. В ходе эволюции такая интеграция могла быть важным фактором, который сформировал наблюдаемую архитектуру хромосом прокариот (Iyer et al., 2004b; McGeoch and Bell, 2008).

Системы защиты и ответа на стресс, в частности, рестрикции-модификации и системы токсин-антитоксин можно рассматривать в качестве особых частей мобилома. Сравнительный анализ этих систем выявил быструю эволюцию и частый ГПГ; кроме того, они часто обнаруживаются в геномах плазмид и бактериофагов. Несмотря на их громадное молекулярное разнообразие, эти системы работают на одном и том же принципе – каждая содержит токсин, то есть белок, который либо разрушает хромосомную ДНК (ферменты рестрикции), либо блокирует систему трансляции в результате гидролиза мРНК или тРНК (соотвествующие токсины обладают эндонуклеазной активностью, специфичной к РНК), либо убивает клетку, вызывая образование отверстий в мембране (Kobayashi, 2001; Van Melderen and Saavedra De Bast, 2009). Вызванная токсинами гибель клетки в случае использования систем рестрикции-модификации предотвращается специфическим метилированием ДНК, a в случае систем токсин-антитоксин путем нейтрализации токсина антитоксином. Эта нейтрализация достигается либо посредством взаимодействия двух белков (токсина и антитоксина), либо посредством подавления трансляции мРНК токсина комплементарной к ней малой РНК, которая в этом случае выполняет роль антитоксина. Эти системы обладают свойствами эгоистичных элементов, которые эволюционировали таким образом, чтобы сделать клетки хозяина зависимыми от них (addicted). Когда клетка теряет соответствующие гены, она обычно погибает либо в результате действия токсина, поскольку токсины более стабильны, чем антитоксины, так что их активность после деградации антитоксинов, запасы которых перестают восполняться, резко возрастает, либо из-за ослабления активности ферментов модификации в результате снижения их концентрации, в то время как рестриктазы сохраняют активность. Из-за этого свойства токсин-антитоксинных систем плазмиды, которые переносят токсин-антитоксинные гены и, таким образом, гарантируют, что их хозяева «подсядут» на них, убивая клетки, которые утратили плазмиды, получают сильное селективное преимущество перед плазмидами, не имеющими токсин-антитоксинных систем. Известные к настоящему времени токсин-антитоксинные системы, вероятно, представляют, как принято говорить, лишь вершину айсберга, так как геномы бактерий и архей несут большое количество различных оперонов, имеющих свойства, сближающие их с токсин-антитоксинными оперонами (а именно пара генов, кодирующих небольшие белки, которая появляется в одинаковой комбинации в различных геномах и геномных окружениях), но которые не были (пока) экспериментально исследованы (Makarova et al., 2009a).

Недавно был открыт еще один очень необычный класс систем мобильной защиты, который присутствует у большинства архей и примерно одной трети бактерий из числа секвенированных геномов (Deveau et al., 2010; Koonin and Makarova, 2009). Эта система состоит из массива коротких палиндромных повторов, регулярно расположенных группами (CRISPR), и включает в себя около 50 отдельных семейств генов (ассоциированных с CRISPR и обозначаемых cas (CRISPR-associated) . Примечательно, что здесь мы сталкиваемся со вторым по размерам (после рибосомного супероперона) массивом связанных между собой генов (генетическим окружением) в геномах прокариот (Rogozin et al., 2002). Система CRISPR-Cas защищает клетки прокариот от фагов и плазмид «ламарковским путем» (мы вернемся к этому вопросу более подробно в гл. 9): фрагмент гена фага или плазмида интегрируется в локус CRISPR на бактериальной хромосоме и впоследствии транскрибируется и используется посредством все еще плохо изученных механизмов для подавления репликации эгоистичных агентов. Система CRISPR-Cas демонстрирует выдающуюся пластичность даже между близкородственными штаммами бактерий и архей, а также, по-видимому, часто переносится путем ГПГ.

Избранные примеры, обсуждавшиеся выше, указывают на огромное, все еще не до конца понятое разнообразие мобилома прокариот и подчеркивают значительный вклад, который мобилом вносит в эволюцию геномного пространства-времени прокариот.

Вероятно, еще не все биологи осознают тот факт, что ГПГ является принципиально важным фактором эволюции прокариот и может, по-видимому, рассматриваться как необходимое условие долгосрочного выживания бактерий и архей. Любая популяция, у которой отсутствует рекомбинация генетического материала, в конечном счете имеет тенденцию к вымиранию, так как она не обладает эффективными средствами для устранения неизбежно накапливающихся вредных мутаций. Обычно преимущество популяций, у которых есть механизм полового размножения или его аналог, перед бесполыми приписывается механизму, известному как храповик Мёллера [Möller’s ratchet (Möller, 1964)]. Под действием храповика Мёллера накопление вредных мутаций в условиях отсутствия рекомбинации (одной из форм которой является половое размножение) приводит к постепенной потере приспособленности и гибели бесполой популяции. Эффект храповика Мёллера наиболее сильно проявляется в случае популяций небольшого размера из-за большой роли генетического дрейфа. Майкл Линч с сотрудниками разработали более подробную модель угасания бесполой популяции, известную как мутационная катастрофа (Lynch et al., 1993). С учетом того, что большинство мутаций являются (по меньшей мере) слабовредными, бесполая популяция входит в «нисходящую спираль» мутационной катастрофы, когда храповик Мёллера действует совместно с генетическим дрейфом. В этом случае размер популяции падает из-за подавления отбора, очищающего от вредных мутаций, что, в свою очередь, в итоге приводит к усилению генетического дрейфа и увеличению вероятности случайной фиксации дополнительных вредных мутаций. Таким образом, мутационная катастрофа, по-видимому, устанавливает пределы для размера генома и продолжительности существования популяций бесполых организмов.