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

Что было движущим фактором (или факторами) эволюции геномной (и возможно, связанной с ней организменной) сложности? Неадаптивная популяционно-генетическая теория (Lynch, 2007c; Lynch and Conery, 2003) подсказывает удивительный ответ: необходимым и, вероятно, достаточным условием для возникновения сложности был неэффективный очищающий отбор в популяциях с небольшим N e [74]. Неэффективный отбор способствовал фиксации слегка вредных признаков, которые были бы отбракованы в большой популяции, и накоплению мусора, часть которого затем была задействована в разнообразных функциях.

Рис. 8–3. Реконструкция популяционной динамики на протяжении эукариогенеза: эукариогенез делается возможным благодаря крайне узкому «бутылочному горлышку». N g – эффективное число генов/локусов, n – число нуклеотидов, необходимых для сплайсинга (вначале автокаталитического) интрона (около 25 на интрон), размер мишени для вредных мутаций, u – частота мутаций на нуклеотид на поколение (≈0,5×10 -9); A = архея, предполагаемый хозяин протомитохондриального эндосимбионта (ПМС); N = ядро; FECA = первый общий предок эукариот, химерная клетка, образовавшаяся немедленно после эндосимбиоза.

Перепишем условие фиксации из предыдущего раздела следующим образом:

Это простое неравенство задает ограничение на размер мишени вредных мутаций, остающейся невидимой для очищающего отбора, или, другими словами, максимальное число необходимых для функционирования нового геномного элемента нуклеотидов, при котором он имеет шанс зафиксироваться.

Оценки, использующие значения N e u из табл. 8–1, выявляют принципиальные различия между организмами. Так, у позвоночных очищающий отбор «пропускает» до 250 нуклеотидов, в то время как у прокариот фиксация последовательностей длиннее, чем приблизительно 10 нуклеотидов, является маловероятной.

Эти теоретические соображения означают, что существенное увеличение геномной сложности возможно только в режиме ослабленного очищающего отбора. Рассмотрим три основные составляющие геномной сложности у позвоночных, также отвечающие за сложность молекулярного фенома и, насколько мы знаем, дифференциацию тканей и другие аспекты организменной сложности:

1. Альтернативный сплайсинг, который производит большую часть белкового разнообразия в данных организмах [75].

2. Комбинаторная регуляция транскрипции, при которой гены оснащены наборами сайтов связывания транскрипционных факторов. Различные комбинации факторов транскрипции связываются с этими сайтами, обеспечивая сложную регуляцию экспрессии (Venters and Pugh, 2009).

3. Гигантский некодирующий РНом, включающий в себя относительно хорошо изученные микроРНК, ряд других частично охарактеризованных малых РНК, более таинственные длинные некодирующие РНК [76]и огромное количество «темной материи» РНК (Amaral et al., 2008).

Рассмотрев эти замечательные явления более подробно, в каждом из них мы можем безошибочно различить следы неадаптивной эволюции, связанной с ослабленным очищающим отбором.

Как отмечалось в предыдущем разделе, богатые интронами геномы имеют «слабые» сигналы сплайсинга, скорее всего просто потому, что сила очищающего отбора в соответствующих популяциях недостаточна, чтобы жестко контролировать эти нуклеотидные последовательности. Иными словами, аномальные транскрипты, образующиеся с определенной частотой из-за ошибок сплайсинга в богатых интронами организмах, не являются достаточно вредными для того, чтобы быть устраненными очищающим отбором в условиях низкой N e . Таким образом, неточность в вырезании интронов предоставляет нишу для альтернативного сплайсинга. Иными словами, неточный сплайсинг – это и есть альтернативный сплайсинг . Поскольку эволюционирующие небольшие популяции не могли избавиться от него, они «научились» использовать некоторые из альтернативных (первоначально аномальных) транскриптов в различных функциональных ролях. Эти роли часто основаны на том, что альтернативные белки являются модификациями «нормальных» белков и, соответственно, действуют как функциональные варианты исходного белка или же как доминантные отрицательные регуляторы. В соответствии с логикой эволюции, альтернативный сплайсинг аналогичен горизонтальному переносу генов у прокариот в том, что оба являются выгодными альтернативами дупликации генов, при которых модификация активности достигается за один шаг, а не за длительный период эволюции . С учетом реконструкции, приведенной на рис. 7–8, можно предположить, что у LECA ошибки сплайсинга происходили с высокой частотой, давая, соответственно, большое разнообразие транскриптов, но при этом функциональный альтернативный сплайсинг был весьма редок (если вообще происходил). Дальнейшая эволюция различных ветвей эукариот, по-видимому, происходила в соответствии с двумя противоположными сценариями: потеря большинства интронов и усиление сигналов сплайсинга на границах оставшихся интронов, снижающие продукцию аномальных транскриптов до незначительного уровня; сохранение частоты ошибок сплайсинга примерно на том же уровне, что и у LECA (при условии примерно такой же плотности интронов), сопровождаемое эволюцией функционального альтернативного сплайсинга, то есть задействование многих, но, конечно, не всех и, вероятно, даже не большинства аномальных транскриптов для продукции альтернативных функциональных форм белка.

Большинство линий одноклеточных эукариот, эволюционировавших в сторону больших N e и эффективного очищающего отбора, пошли по первому пути; второй сценарий относится к животным и растениям, которые никогда не достигали больших эффективных размеров популяции и вынуждены были справляться с унаследованным неточным сплайсингом. Третьего пути, по-видимому, не существовало: либо разработать способ устранения аномальных транскриптов, либо использовать их, либо вымереть.

Сайты связывания факторов транскрипции у эукариот состоят из 8—10 нуклеотидов, так что стоимость добавления одного сайта составляет s ≈ 10 u , или примерно 10 –7, если взять характерное для позвоночных значение u (Lynch, 2007c). Таким образом, геномы сложных многоклеточных эукариот, по-видимому, могли практически «бесплатно» накапливать сайты связывания транскрипционных факторов, что позволило появиться сложным кассетам сайтов. У одноклеточных эукариот возможности для эволюции в этом направлении были ограничены; для прокариот этот путь к инновациям, судя по всему, был закрыт очищающим отбором.