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

В целом любой случай горизонтального переноса, при котором приобретенный ген дает реципиенту преимущество с точки зрения воспроизводства в данной среде (которая благоприятствует передаче такого гена), по-видимому, удовлетворяет ламарковским критериям. Исследования по сравнительной геномике показывают, что горизонтальный перенос служит основным способом адаптации бактерий к окружающей среде путем расширения метаболических и сигнальных сетей, куда интегрируются новые горизонтально приобретенные гены и, таким образом, добавляют новые свойства в уже существующие схемы (Maslov et al., 2009). Количественно горизонтальный перенос, с его ламарковской компонентой, оказывается у прокариот гораздо более важным средством адаптации, нежели дупликация генов (Pal et al., 2005).

Интересным указанием на то, что горизонтальный перенос может быть адаптивным феноменом, служит уже упоминавшееся открытие агентов переноса генов (АПГ). Как отмечалось в главе 5, АПГ являются производными дефектных бактериофагов, которые заключают в себе, по-видимому, случайные фрагменты генома хозяина и переносят их внутри бактериальных и архейных популяций. Интереснейшие наблюдения переноса генов в морских бактериальных сообществах показывают, что АПГ довольно неразборчивы по отношению к бактериям, которых они инфицируют, и обеспечивают очень высокую интенсивность ГПГ (McDaniel et al., 2010). Свойства АПГ еще предстоит детально исследовать, но существует реальная возможность, что эти агенты представляют собой специально предназначенные для горизонтального переноса средства доставки, которые эволюционировали под селективным давлением, направленным на усиление обмена генами. Если это так, напрашивается вывод, что сам ГПГ выступает частично как адаптивный процесс (см. также обсуждение гипотезы оптимизации переноса в гл. 5). Подводя итог сказанному, мы, видимо, не можем избежать вывода, что некоторые из наиболее важных путей эволюции генома – по меньшей мере у прокариот – являются (квази)ламарковскими.

Дарвин подчеркивал эволюционную важность случайных, ненаправленных вариаций, в то время как ламарковская эволюция основана на направленной изменчивости, специфически вызываемой экологическими факторами. Реальная эволюция отвергает это противопоставление. Самой яркой иллюстрацией может служить комплекс разнообразных явлений, которые в совокупности известны как стресс-индуцированный мутагенез, одним из важных аспектов которого является активизация мобильных элементов. Явление такого типа впервые было описано Барбарой Макклинток, продемонстрировавшей (в серии классических экспериментов, которые в конечном итоге принесли ей Нобелевскую премию) активизацию «перескакивания генов» в растениях в условиях стресса, а также важность этой стресс-индуцированной мобильности отдельных «управляющих элементов» для возникновения резистентных фенотипов (McClintock, 1984).

Позднее столь же известный и спорный эксперимент Джона Кэрнса (John Cairns) с сотрудниками по восстановлению мутаций в Lac-опероне, индуцированному лактозой, впечатляющим образом вывел ламарковский механизм эволюции на видное место (Brisson, 2003; Cairns et al., 1988; Rosenberg, 2001). Кэрнс и его коллеги обнаружили заметное усиление реверсии мутаций рамки считывания в Lac-опероне в присутствии лактозы и смело предположили, что за наблюдаемым эффектом стоит классический ламарковский механизм эволюции – иначе говоря, лактоза непосредственно и направленно вызвала мутации в Lac-опероне.

Последующие, более тщательные исследования, включая работы Патрисии Фостер и самого Кэрнса, показали, что это не так: стресс, в частности выращивание культуры при недостатке питания, действительно вызывает мутации, но не в специфических локусах (Foster, 2000). Было показано, что все мутации, лежащие в основе реверсии Lac-фенотипа и других подобных фенотипов, дуцированы стрессом (Lac-клетки, высеянные на питательную среду с лактозой в качестве единственного источника углерода, испытывают голодный стресс), а не берутся из предсуществующего запаса редких, спонтанных мутаций.

Стресс-индуцированный мутагенез – в частности, механизм мутагенного восстановления в кишечной палочке, известный как SOS-репарация, – был открыт задолго до опытов Кэрнса. Более того, Мирослав Радман (Radman, 1975) и Харрисон Эколс (Echols, 1981) независимо друг от друга пришли к плодотворной мысли, что эта мутагенная форма репарации может быть адаптивным механизмом антистрессовой реакции, а не просто сбоем в работе восстановительных систем. Два десятилетия дальнейших исследований подтвердили эту замечательную идею, сомневаться в истинности которой уже нет разумных оснований. Несколько групп убедительных исследований подтверждают адаптивный характер неточной репарации ДНК (Foster, 2007; Galhardo et al., 2007; Rosenberg, 2001).

Активность SOS-каскада и других мутагенных механизмов репарации в бактериях тщательно регулируется, в частности, переключением с точного воспроизведения к подверженному ошибкам восстановлению разрывов двойной спирали под воздействием сигма-фактора РНК-полимеразы, RpoS, с тем чтобы, по-видимому, достичь оптимальной скорости мутаций. Важнее всего, что стресс-индуцированные мутации, возникающие вследствие склонных к ошибкам процессов репарации, хотя и не нацелены на конкретные гены, в то же время не разбросаны по геному беспорядочно. Напротив, эти мутации концентрируются вокруг двухцепочечных разрывов ДНК, которые вызваны различными стресс-факторами и привлекают к себе аппарат мутагенной репарации.

Мутагенная репарация могла возникнуть как специфический адаптивный механизм, который делает возможной координированную эволюцию групп функционально связанных генов (ключевая особенность геномной архитектуры у прокариот) в тех редких клетках, где происходят полезные мутации, одновременно ограничивая ущерб для других частей генома. Стресс-индуцированный мутагенез, в особенности активация ретротранспозонов, был продемонстрирован также у дрожжей и животных, и это дает основание предполагать, что такой путь адаптивной эволюции универсален для клеточных форм жизни.

По крайней мере среди бактерий стресс-индуцированный мутагенез – не редкий или экзотический, а крайне распространенный процесс. Среди сотен изученных природных штаммов E. Coli индуцированный мутагенез характерен для более 80 процентов стареющих колоний, и превышение числа мутаций, запускаемых стрессом, над конститутивными мутациями варьирует на несколько порядков (Bjedov et al., 2003).

Примечательно, что стресс-индуцированная и, по всей видимости, адаптивная нестабильность генома лежит также в основе рака. Хорошо известно, что опухоли развиваются (эволюционируют) в условиях постоянного кислородного стресса, который вызывает обширные перестройки генома и мутации. Главным образом благодаря этим стресс-индуцированным изменениям выживают мутанты, способные к неконтролируемому росту в условиях стресса. Несмотря на различия в конкретных механизмах мутагенной репарации и ее регулирования, злокачественные опухоли животных (включая человека) в принципе не так уж отличаются от бактериальной популяции, эволюционирующей в стрессовых условиях.