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

Приписывание единственной все объясняющей причины любому крупному эволюционному сдвигу неизбежно будет недопустимым упрощением и эпистемологической ошибкой, поскольку «причины» вообще являются конструктами человеческого сознания (см. прил. I). Тем не менее я уверен, что согласованность между многими ключевыми эукариотическими нововведениями, легко интерпретируемая как ответ на эндосимбиоз, и в частности на атаки происходящих из эндосимбионта мобильных элементов, слишком убедительна, чтобы отказаться от нее как от беспочвенной фантазии. Такой сценарий, даже если он не является фальсифицируемым в целом (см. прил. I), тем не менее включает частные фальсифицируемые предсказания и стимулирует новые эксперименты. Действительно, с тех пор, как мы с Биллом Мартином предложили нашу версию эндосимбиогенетического сценария, в которой центральная роль отводится интронам группы II (Martin and Koonin, 2006a), она выдержала две весьма жесткие проверки на фальсифицируемость. Одна из них – открытие сопряжения транскрипции и трансляции у Archaea (French et al., 2007). И еще более показательная проверка – определение структуры интрона группы II, которая не оставляет места серьезным сомнениям по поводу происхождения сплайсосомных интронов от прокариотических ретроэлементов, что воспринималось как спекуляция в то время, когда наша гипотеза была сформулирована (Toor et al., 2008).

Еще одно направление экспериментальных исследований могло бы сконцентрироваться на необычных бактериях, таких как Planctomycetes , которые обладают внутриклеточными компартментами, заключающими в себе хромосому (Fuerst, 2005). Конечно, эти организмы – прокариоты по всем критериям [65]. Более того, сравнительный анализ геномов показывает, что они не кодируют гомологов белковых субъединиц комплекса ядерной поры (Mans et al., 2004). Наша модель предсказывает, что, хотя Planctomycetes и некоторые родственные бактерии обладают «ядроподобным» компартментом, у них сохраняется сопряжение транскрипции и трансляции, типичное для прокариот. Это означает, что функциональные рибосомы входят в «ядерный» компартмент и инициируют трансляцию матричных РНК еще до завершения их транскрипции, или же образующиеся молекулы мРНК одновременно с транскрипцией выталкиваются через отверстия в стенках компартмента.

Если, напротив, эксперименты покажут, что у «ядерных» бактерий транскрипция разобщена с трансляцией, то это будет серьезным возражением против нашей модели. Немедленным ee опровержением было бы открытие ныне существующих архезой, то есть свободноживущих эукариот, не имеющих никаких признаков МПО, однако обладающих всеми остальными типичными признаками эукариотической клеточной организации. (Паразит с сильно редуцированным геномом, однако, не будет здесь убедительным примером.) Вероятность того, что архезои будут однажды открыты, уменьшается с каждым случаем обнаружения еще одной группы простейших, не имеющих нормальных митохондрий, но все-таки содержащих МПО.

«Кусочное» (экзон-интронное) строение белок-кодирующих (и некоторых РНК-кодирующих) генов эукариот – поистине удивительная черта (она не всегда кажется нам таковой только потому, что нам так привычна концепция сплайсинга, да и открыта она, на момент написания этой книги, более 30 лет назад). Почему гены разрываются множеством некодирующих участков, большинство которых не выполняет никаких видимых функций и вырезается из транскрипта сложной молекулярной машиной (предназначенной специально для этой цели) только для того, чтобы быть разрушенными? Кажется, это превосходит все, что может нарисовать себе самое смелое воображение. Когда интроны были открыты в 1977 году, Уолтер Гилберт [66]немедленно выступил с привлекательной «гипотезой ранних интронов», послужившей основой так называемой «экзонной теории генов» (Gilbert, 1978). Вкратце, Гилберт предположил, что интроны сопутствовали жизни на самых ранних этапах эволюции и играли ключевую роль в эволюции белок-кодирующих генов, позволяя соединять короткие последовательности, кодирующие первичные пептиды, путем рекомбинации ближайших некодирующих последовательностей. Вслед за формулировкой этой идеи последовали 20 лет попыток подтвердить существование первичных интронов путем анализа разнообразных признаков интронов ныне существующих (de Souza et al., 1998). Мы не станем описывать здесь эту борьбу; достаточно лишь сказать, что убедительных свидетельств найдено не было. Безусловно, гипотеза ранних интронов не поддерживается тем фактом, что у прокариот не обнаружены сплайсосомы и интроны сплайсосомного типа, хотя Гилберт и его коллеги утверждают, что это результат эволюционного упрощения. Возможно, самый серьезный аргумент против «ранних интронов» – это обнаружение предковой связи между бактериальными самосплайсирующимися интронами и сплайсосомными интронами. Из этого открытия следует, что, даже если на самых ранних стадиях эволюции жизни существовали интроны (мы еще вернемся к этому моменту в гл. 10 и 11), эти интроны были совершенно не такими, как современные сплайсосомные интроны, и последние не могут нести какую-либо «память» о первичной эволюции. Сплайсосомные интроны и вся система сплайсинга, таким образом, суть чисто эукариотические черты из тех, что определяют «эукариотическое состояние».

Так почему же эукариотические гены прерываются таким множеством интронов? По-видимому, единственный разумный ответ следующий: потому что их предки агрессивно встраивались в эукариотические гены во время эукариогенеза или вскоре после него, а механизмы, служащие для эффективного удаления их из первичных транскриптов, развились и обеспечили выживание линии организмов со странными «кусочными» генами. После этого давление отбора, направленное на устранение интронов, во многих линиях эукариот оказалось недостаточно сильным, чтобы избавиться от большинства из них, хотя именно это произошло в других линиях, эволюционировавших в условиях сильного очищающего отбора (см. гл. 8). Разумеется, это не отменяет функциональной значимости интронов вообще: известно, что некоторые из них вносят вклад в регуляцию экспрессии (Le Hir et al., 2003), а другие даже содержат встроенные гены (Assis et al., 2008). Более того, интроны обеспечивают возможность альтернативного сплайсинга, ключевого механизма, создающего структурное и функциональное разнообразие белков у многоклеточных эукариот (см. гл. 8). В целом, однако, неискоренимое присутствие интронов, по-видимому, в большой степени зависит от силы очищающего отбора, направленного на их устранение. Популяционно-генетические аспекты утраты и приобретения интронов будут рассмотрены в главе 8; здесь я кратко обсуждаю результаты реконструкций эволюции интронов и некоторые дополнительные идеи, касающиеся природы геномов самых ранних эукариот в свете рассмотренного выше сценария эукариогенеза.