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

Последовательности определенного класса, будучи встроены даже в функционально важные гены, наносят гораздо меньший урон. Это так называемые самосплайсирующиеся интроны группы II, класс обратно-транскрибируемых самореплицирующихся генетических элементов, которые «прыгают» по геномам многих бактерий и некоторых мезофильных архей, а также митохондрий грибов и растений (Lambowitz and Zimmerly, 2004). Они имеют очень интересный, необычный жизненный цикл: используя РНК (рибозимный катализ), они вырезают сами себя из транскриптов соответствующих генов хозяина, а затем, сделав копии собственной ДНК с помощью обратной транскриптазы, которую сами и кодируют, встраиваются в новые сайты на хромосоме хозяина. Сегодня считается доказанным, что интроны группы II, которые в мире эукариот представлены только в некоторых органеллах эндосимбиотического происхождения, являются предшественниками сплайсосомных интронов, которые прерывают эукариотические белок-кодирующие гены (Keating et al., 2010; Toor et al., 2008). Действительно, терминальные структуры интронов группы II, ответственные за вырезание интрона, имеют близкое сходство с каноническими терминальными структурами сплайсосомных интронов. Еще важнее, что небольшие молекулы РНК в сплайсосоме, катализирующие сплайсинг у всех эукариот, также происходят от интронов группы II. Большинство бактерий контролируют число интронов группы II, удерживая его на уровне нескольких копий на бактериальную хромосому (или удаляя вовсе), вследствие интенсивного очищающего отбора в бактериальных популяциях (см. гл. 8). Интересно, что альфа-протеобактерии относительно богаты этими элементами, они содержат до 30 копий на бактериальный геном. Наиболее высокое содержание интронов группы II наблюдается в митохондриях грибов и растений, где они составляют существенную долю генома. Размножение интронов группы II в геноме эндосимбионта могло начаться вскоре после установления эндосимбиоза и было, вероятно, инициировано неизбежным снижением размера популяции симбионта и последующей невозможностью эффективно избавляться от самореплицирующихся элементов.

Таким образом, интроны группы II могли в значительном количестве присутствовать в ДНК эндосимбионта, бомбардировавшей геном хозяина. Более того, эти элементы обладают способностью активно интегрироваться в другие молекулы ДНК, так что они могли агрессивно атаковать хромосомы хозяина, встраиваясь в гены, а затем перемещаясь куда-то еще (Martin and Koonin, 2006a). Хотя интроны группы II после транскрипции автокаталитически вырезаются из транскрипта, так что окружающие экзоны сшиваются вместе, все же массовое «заражение» генов хозяина может представлять серьезную опасность. В самом деле, сплайсинг – относительно медленный процесс, он намного медленнее трансляции. У прокариот, где транскрипция и трансляция сопряжены, транскрипты со встроенными интронами группы II во многих случаях были бы транслированы раньше, чем дело дошло бы до сплайсинга. При большом количестве интронных вставок последствия могли быть чрезвычайно существенны, возможно, фатальны: накапливались бы неправильно транслированные белки, и это оказывало бы пагубное воздействие на клетку. Еще более серьезными могли бы быть последствия инактивации открытой рамки считывания, кодирующей обратную транскриптазу (ОТ) интронов группы II, действующую в цис -положении как кофактор сплайсинга (на этой стадии – не как фермент). Для генов, содержащих интроны с инактивированными генами ОТ, должен был бы идти сплайсинг in trans [63]. Как известно, он непродуктивен, так что такие интроны с высокой эффективностью прекращали бы синтез соответствующих функциональных белков. Таким образом, заражение генов хозяина интронами группы II должно было создать мощную движущую силу для каскада эволюционных обновлений (Koonin, 2006):

1. Аппарат сплайсинга, способный к эффективному функционированию в транзакции .

2. Инструмент защиты, который мог бы разобщить трансляцию и транскрипцию, позволив относительно медленному процессу сплайсинга завершиться до того, как начнется трансляция.

3. Дополнительные «линии защиты» от накопления аберрантных полипептидов.

Действительно, все три типа адаптаций к вторжению интронов развились в эволюции прокариот до появления LECA: сплайсосома, ядро, дополнительные системы контроля качества, такие как нонсенс-опосредованный распад (НОР) – механизм, удаляющий незрелые транскрипты, и убиквитин-зависимая система деградации белков, которая непосредственно разрушает аберрантные белки (см. рис. 7–6).

Таким образом, в принципе натиск ретроэлементов эндосимбионта на геном хозяина создает давление отбора, необходимое для возникновения ряда определяющих нововведений эукариотической клетки, и самое главное – системы внутренних мембран, главным компонентом которой является ядро. При более близком рассмотрении, однако, проблема развития этих систем все еще подозрительно напоминает «неупрощаемую сложность». Необходимы особые объяснения, и их непросто находить. Например, сложно устроенный комплекс ядерной поры не может работать и, соответственно, не может быть подхвачен отбором в отсутствие оболочки ядра, но последняя не может сообщаться с цитозолем без комплекса ядерной поры. Скорее всего, эволюция системы внутренних мембран и ядра, хоть и быстрая в масштабах, все же проходила через промежуточные стадии. Пролиферация эндосимбионтов внутри развивающихся химерных клеток могла быть очень постепенной, что позволяло бы протоэукариотам жить достаточно долго, чтобы нововведения с ограниченным положительным эффектом могли зафиксироваться. Можно представить, что серия нововведений началась с образования везикул из мембраны эндосимбионта. Эти везикулы могли сформировать примитивную систему внутренних мембран, включая протоядро, то есть компартмент, заключавший в себе одну или несколько хромосом и имевший не поры современного типа, а только просветы между уплощенными везикулами; каждая их них оставалась связана с системой внутренних мембран. Просветы в протоядерной мембране предупреждали доступ рибосом к сайтам транскрипции, таким образом разъединяя транскрипцию и трансляциию, типично сопряженные у прокариот, и уменьшая тем самым вред от встроившихся ретроэлементов (интронов группы II). В такой ситуации клетка могла пережить дальнейшую пролиферацию (прото)митохондрий и усиление выхода из них ДНК и ретроэлементов. Это, в свою очередь, могло создавать селекционное давление, способствующее дальнейшей эволюции ядра, которая в итоге привела к появлению комплекса поры современного типа, активно контролирующего ядерно-цитоплазматические потоки и соединяющего сплайсинг первичных мРНК с экспортом зрелых мРНК из ядра. Пролиферация внутренних мембран в конечном итоге привела к полной реконструкции мембранной системы прокариотической клетки, причем предковая архейная плазматическая мембрана была замещена бактериальными мембранами, предположительно изнутри, путем распространения эндомембран, происходящих от симбионта.