Введение в науки о жизни. Часть 2. Догмы, мобильные элементы и горизонтальный перенос (лекции 5-7).

Марков А. В.

Совместный бакалавриат ВШЭ и РЭШ. Курс лекций.

Совместный бакалавриат ВШЭ и РЭШ

Введение в науки о жизни

Часть 2. Догмы, мобильные элементы и горизонтальный перенос (лекции 5-7)

Задание на следующее занятие: прочесть главу 8 из «Рождения сложности». И приготовить вопросы, если что-то непонятно.

Был задан вопрос «если интроны не нужны, почему они не исчезли, почему отбор их не отсеял»

Догмы

Итак, мы вспомнили школьную программу и набрали некий минимум исходных знаний, с которыми мы уже можем начать двигаться вперед. Все остальные «азы» и базовые понятия, которые мы не успели повторить, будем вспоминать и разбирать по мере необходимости, когда они нам понадобятся.

Великие открытия середины прошлого века (расшифровка природы наследственности и изменчивости (ДНК, репликация, генетический код, транскрипция, трансляция, мутации) породили временную эйфорию. В этот период результаты некоторых (действительно великих) открытий превратились в догмы. Очень скоро, однако, выяснилось, что не стоило так торопиться. Любое знание об окружающем мире, любая модель, любая теория, любой вывод – всегда упрощение. Жизнь, как выяснилась, штука очень сложная, хотя она и основана на довольно простых базовых принципах.

Тема ближайших 2-3 занятий – разоблачение догм. Здесь очень важно чувство меры, то есть правильное понимание границ применимости тех или иных научных выводов и обобщений. Все догмы, которые мы будем опровергать, на самом деле верны, но верны лишь в общих чертах, в определенных рамках, не всегда и не везде, из них есть исключения, их нельзя абсолютизировать. Главное – не впадать в крайности.

Вот эти «догмы» - утверждения, которые 40-50 лет назад казались абсолютными истинами, но потом было показано, что они не абсолютны.

Все эти утверждения в значительной мере верны, но не абсолютны. Начнем постепенно разбираться с этими догмами.

«Главная догма»: Однонаправленная передача наследственной информации в ряду ДНК → РНК → Белок (или генотип → фенотип).

Это правило назвал «центральной догмой молекулярной биологии» сам Фрэнсис Крик (правда, потом раскаялся).

Думали, что информация идет только одним путем. Обратное движение считалось невозможным: то есть у РНК нет никакого способа повлиять на то, что записано в ДНК; у белков нет никакого способа повлиять на то, что записано в РНК и ДНК.

Ее открыли у т.н. ретро-вирусов – это РНК-содержащие вирусы, которые кодируют в своем геноме фермент обратную транскриптазу, она же – РНК зависимая ДНК-полимераза. Этот фермент синтезирует ДНК на матрице РНК, то есть осуществляет обратную транскрипцию. Эта ДНК, синтезированная на матрице вирусной РНК, затем встраивается в геном зараженной клетки и начинает размножаться вместе с ним, как все остальные гены хозяйского генома.

Обратная транскрипция не только в жизни вирусов играет важную роль. Благодаря вирусам, постоянно встраивающимся в геномы живых организмов, гены обратных транкриптаз постоянно попадают в эти геномы. Например, в геноме человека – сотни генов обратных транскриптаз. Это самый распространенный ген в геноме человека.

Это имеет далеко идущие последствия. Обратные транскриптазы могут подвергать обратной транскрипции не только РНК вируса, но и РНК хозяйской клетки. Иногда обратная транкриптаза берет какую-нибудь матричную РНК хозяина, делает из нее ДНК-копию и встраивает в хозяйский геном. Так в наших геномах появляются т.н. ретрогены.

Ретрогены были бы просто дубликатами уже имеющихся в геноме генов (что тоже может иметь важные эволюционные последствия), если бы не одно «но»: обратной транскрипции подвергаются обычно уже зрелые мРНК, прошедшие сплайсинг. Поэтому ретрогены легко отличить от «обычных» генов по отсутствию интронов. А если сплайсинг был альтернативным, то ретроген будет существенно отличаться от своего «прототипа» (в нем не будет некоторых экзонов). Альтернативный сплайсинг – процесс регулируемый, не случайный. Следовательно, здесь открывается потенциальная возможность передачи осмысленной информации от фенотипа к генотипу. Некие крупицы информации о среде и о фенотипе могут в принципе этим путем оказаться записаны в ДНК. Это очень трудный и окольный путь, но он существует.

Пока нет доказанных случаев целенаправленного использования этого пути. Иногда такое происходит случайно (появляются в геномах ретрогены, являющиеся ретрокопиями одного из сплайс-вариантов какого-нибудь исходного гена). Но чтобы клетка делала такое преднамеренно, таких случаев пока не обнаружено. По-видимому, организмы так и не научились использовать эту возможность к собственной выгоде.

Это мы разобрались с обратной транскрипцией.

А как насчет «обратной трансляции»? Так можно было бы назвать процесс синтеза мРНК на матрице белка. Для этого нужны были бы «обратные тРНК», то есть такие молекулы, которые узнавали бы аминокислоту в белке и приделывали к синтезируемой мРНК соответствующий триплет нуклеотидов. В природе такого процесса не обнаружено. Однако искусственно удалось создать «обратные транспортные РНК», то есть рибозимы, которые узнают аминокислоту (аргинин) и приделывают к другой молекуле РНК, которая как бы играет роль мРНК, триплет, который в нормальном генетическом коде соответствует аргинину. Но это – пока лишь занятные упражнения специалистов по рибозимам. Возможно, на заре жизни и существовала обратная трансляция – технически она возможна – но никаких ее следов в современной земной жизни мы не видим.

С другой стороны, обратите внимание, что сам по себе альтернативный сплайсинг – это процесс регулируемого, целенаправленного редактирования наследственной информации, содержащейся в РНК. Некоторым образом это тоже нарушение «главной догмы». Это некий окольный путь, по которому осмысленная информация может передаваться от белков к РНК.

Следующая догма: «Мутации (изменения последовательности нуклеотидов ДНК) всегда абсолютно случайны».

В принципе да, мутации случайны, живым организмам так и не удалось выработать механизм для осмысленного редактирования своих геномов. То есть клетка не может точно рассчитать, какие именно изменения ей нужно в данной ситуации внести в свой геном.

Однако оказалось, что в ходе эволюции у разных организмов появился целый арсенал средств, позволяющих частично контролировать и направлять мутационный процесс (хотя полностью исключить элемент случайности не удалось никому, кроме, возможно, человека).

С одним из таких механизмов мы уже знакомы. У бактерий имеются гены склонных к ошибкам ДНК-полимераз, которые включаются в экстренных случаях. Таким образом, бактерии могут регулировать темп своего мутагенеза. Мутации остаются случайными, но их темп, частота возникновения – оказывается подконтрольной, регулируемой. Тем самым случайность уже загоняется хоть в какие-то рамки. .

Второе исключение из правила о случайности всех изменений ДНК – это процесс создания новых генов из наборов заготовок. Этот процесс происходит в клетках иммунной системы позвоночных животных. Иммунная система позвоночных фантастически эффективна. Она в состоянии по мере необходимости производить новые защитные белки – например, антитела, - способные распознавать и обезвреживать чуть ли не любые чужеродные молекулы (белки, углеводы). В том числе и такие молекулы, которых раньше и в природе-то не было. Например, появился новый вирус. Если он попадет в кровь – через некоторое время там появятся антитела, распознающие и избирательно связывающие поверхностные белки именно этого вируса.

Рассмотрим процесс создания гена антитела в B-лимфоцитах

Процесс создания гена антитела из набора заготовок похож на альтернативный сплайсинг, но он осуществляется на уровне ДНК, а не РНК. Это редактирование самого генома, а не матричных РНК.

Какие белки осуществляют эту геномную перестройку в лимфоцитах? Запоминте этот вопрос, мы к нему вернемся чуть позже, когда сможем воспринять и по достоинству оценить ответ :)

За счет комбинаторики формируются B-лимфоциты, продуцирующие огромное множество разных антител. Каждый лимфоцит производит только один тип антител. Соответственно, у него имеется только один ген (точнее, 4). B-лимфоциты размножаются делением, как амебы. Лимфоциты – потомки одного и того же «предка», называются клоном. У каждого клона – свое антитело. На ранних этапах развития организма происходит отбор лимфоцитов на НЕ способность их антител связываться с собственными молекулами организма (чтобы не было аутоиммунных реакций). Те клоны, которые связываются со «своими» антигенами, отбраковываются, остальные – размножаются. В результате получаем большой набор клонов лимфоцитов, которые связываются с чем угодно, только не с собственными молекулами организма.

Это – первый этап. Далее, когда в организм попадает инфекция, осуществляется более точная «подгонка» гена антитела к конкретному антигену.

Старинные враги борются друг с другом одним и тем же оружием – при помощи отчасти случайных, отчасти – контролируемых перестроек собственного генома.

Процесс тоже похож на сплайсинг, только на уровне ДНК, а не РНК. И еще одно отличие: куски могут меняться местами (при сплайсинге – не могут).

В данном случае особенно интересно то обстоятельство, что в качестве матрицы, направляющей процесс перестройки генома, используются РНК, считанные со «старой» версии генома макронуклеуса. То есть получается, что часть наследственной информации передается у инфузорий с молекулами РНК, а не ДНК.

Еще один вывод: в принципе МОЖНО избавиться от «генетического мусора», как это происходит при сборке МАК-генома. Но клетки этого не делают. И передают при делении потомству МИК-геном со всем содержащимся там «мусором».

Какие белки осуществляют эту геномную перестройку у инфузорий? Запоминте этот вопрос, мы к нему вернемся чуть позже, когда сможем воспринять и по достоинству оценить ответ :)

Домашнее задание. Самостоятельная работа: идентифицировать белок по аминокислотной последовательности.

Мобильные генетические элементы

Барбара МакКлинток открыла МГЭ в 1951 году, когда ей было 49 лет. Нобелевку за это она получила в 1983 году, когда ей было уже за 80. Столько времени потребовалось научному сообществу, чтобы понять, что МГЭ – это не экзотика и не редкость, а один из всеобщих и основополагающих аспектов земной жизни.

Транспозоны встраиваются куда попало, влияя на активность близлежащих генов (или выводя их из строя). В результате появляются, например, вот такие початки кукурузы.

Кроме того, наличие в геноме множественных копий тех или иных фрагментов ДНК резко повышает вероятность ошибок в ходе копирования ДНК (репликации) и рекомбинации. Действительно, сложно не сбиться при переписывании или редактировании текста, изобилующего повторами.

Традиционно МГЭ интерпретируют как «эгоистическую» или «мусорную» ДНК. В последнее время всё яснее становится огромная эволюционная роль этих элементов. Они придают геному свойство, которое, в зависимости от субъективного восприятия, называют либо «нестабильностью», либо «пластичностью». В первом случае подчеркивается потенциальный вред геномных перестроек, индуцируемых МГЭ и повторами, во втором — их потенциальная польза (создание «материала для отбора», повышение полиморфизма и приспособляемости).

Геномные перестройки, индуцируемые МГЭ, не являются полностью хаотичными. Например, многие транспозоны способны встраиваться не в любое место генома, а только туда, где есть определенная последовательность нуклеотидов; распределение повторов по геному повышает вероятность не любых, а строго определенных перестроек и т. д. Кроме того, активность МГЭ может зависеть от различных факторов. Всё это придает эволюционным изменениям, происходящим при участии МГЭ, не совсем случайный характер.

«Скопировать и вставить» и «Вырезать и вставить».

Ретротранспозоны: По краям – повторы, в середине – гены 1) обратной транскриптазы и 2) интегразы. Транскрипция, трансляция – синтез обратной транскриптазы и интегразы. Обратная транскриптаза синтезирует ДНК-овую копию ретротранспозона (на матрице его РНК), а интеграза встраивает ее в геном хозяйской клетки. Если добавить еще ген белка, способного образовывать белковую оболочку вокруг РНК ретротранспозона, может получиться ретровирус.

Масштаб бедствия. У опоссума МГЭ составляют 52,2% генома, у человека 45,5%, у мыши — 40,9%, у собаки — 35,5%. Для сравнения, у курицы МГЭ составляют лишь 9,4% генома. У птиц вообще их гораздо меньше, чем у других наземных позвоночных. Почему?

К вопросу о гонке вооружений между паразитами и хозяевами.

Живым организмам не выгодно, чтобы транспозоны постоянно прыгали в их геноме, вызвая многочисленные (и в основном вредные) мутации. Поэтому отбор должен поддерживать у организмов такие мутации, которые помогут обуздывать активность МГЭ. И действительно, недавно была открыта специальная молекулярная система, позволяющие клетке предотвращать прыжки МГЭ.

Центральную роль в этой системе играют маленькие молекулы РНК, считанные с самих МГЭ (пиРНК, длиной 24-29 нуклеотидов). Эти пиРНК объединяются в комплексы со специальными белками (Piwi). Эти комплексы затем находят молекулы мРНК, считанные с МГЭ, и уничтожают их, тем самым не давая МГЭ прыгать и размножаться.

Они режут мРНК МГЭ на кусочки, причем некоторые из этих кусочков сами потом могут служить в качестве пиРНК. Поэтому получается нечто вроде цепной реакции.

Очень важный момент: поскольку есть специальные системы подавления активности МГЭ, это значит, что в каких-то неблагоприятных, стрессовых условиях эти системы могут давать сбои, ломаться. И тогда МГЭ должны начинать прыгать бесконтрольно. Так оно, по-видимому, и есть. Показано, что МГЭ могут активизироваться в стрессовых условиях. И получается, нечто подобное системе повышения скорости мутирования при стрессе, которая есть у бактерий, и о которой мы уже говорили. Когда жизнь становится очень плохой, системы контроля МГЭ начинают давать сбои, и это приводит к росту мутагенеза, вызванного активностью МГЭ.

Рассмотрим один яркий пример «молекулярного одомашнивания» из жизни насекомых.

Наездники — одна из самых разнообразных групп насекомых, включающая десятки тысяч видов. Они играют огромную роль в природе, а также в сельском хозяйстве, контролируя численность растительноядных насекомых, в том числе многих вредителей. Личинки наездников развиваются в теле жертвы, пожирая ее заживо. В свое время эта необычайная «жестокость природы» повлияла на мировоззрение Чарльза Дарвина, который заметил в одном из писем, что не может себе представить, как мог благой и милосердный Создатель сотворить наездников, чтобы они заживо пожирали своих жертв (причем сотворить не единожды, а в десятках тысяч вариаций, как мы могли бы сейчас добавить).

Многие наездники впрыскивают в жертву, кроме своих яиц, также и особые вирусоподобные частицы. Оболочка этих вирусоподобных частиц очень похожа на оболочку других вирусов насекомых, однако генетическая «начинка» у них совсем другая. Эти частицы называют «поли-ДНК-вирусами», или ПДВ.

Каждый ПДВ содержит несколько маленьких кольцевых молекул ДНК с генами белков, подавляющих защитную (иммунную) реакцию организма хозяина (например, гусеницы). Это позволяет личинкам наездника беспрепятственно развиваться в теле жертвы.

При этом, в отличие от всех нормальных вирусов, ПДВ не содержат специфических вирусных генов, необходимых для размножения. Поэтому ПДВ не могут размножаться в организме гусеницы. Не размножаются они и в организме наездника. По сути дела, они вообще сами не размножаются. Новые ПДВ образуются только в яичниках самки наездника. Яичники синтезируют ПДВ точно так же, как любой орган многоклеточного животного синтезирует различные вещества и молекулярные комплексы для внутреннего использования или выведения наружу.

Эти удивительные особенности поли-ДНК-вирусов заставляли некоторых экспертов сомневаться в их вирусной природе. Может быть, ПДВ в действительности являются не вирусами, а просто некими молекулярными комплексами, которые возникли в ходе эволюции наездников как одна из адаптаций к паразитизму? Может быть, их внешнее сходство с вирусами случайно?

В 2009 году генетики из Франции и Швейцарии показали, что ПДВ все-таки происходят от настоящего вируса, который некогда встроился в геном предков наездников и подвергся «молекулярному одомашниванию».

«Геном» изученных ПДВ, то есть тот генетический материал, который находится в вирусоподобной частице, состоит из 30 кольцевых двухцепочечных ДНК. Эти молекулы ДНК кодируют белки-иммуносупрессоры, совершенно не похожие на белки известных вирусов. Эти кольцевые «хромосомы» ПДВ изготавливаются из копий фрагментов геномной ДНК самого наездника.

Гены, необходимые для образования самого ПДВ, в том числе гены белков оболочки этого псевдовируса, отсутствуют в его «геноме». Именно это и вызвало сомнения в том, что ПДВ – потомки диких вирусов. Нужно было найти гены, ответственные за построение вирусных частиц. И эти гены удалось найти: в геноме наездника нашли несколько встроенных вирусных генов, «работающих», не испорченных мутациями. Удалось доказать, что именно эти гены явно вирусного происхождения, встроенные в геном наездника, и отвечают за создание вирусных частич ПДВ в яичниках самки. Именно в них закодированы белки оболочки ПДВ.

Таким образом, когда-то в геном предков наездников встроился вирус, который затем подвергся «одомашниванию». Вирусные гены впоследствии рассеялись по геному наездника, перестали включаться в состав вирусной частицы, но по-прежнему продолжают работать, обеспечивая сборку этих частиц, которые наполняются теперь совсем другой генетической «начинкой».

Иначе говоря, встроившийся вирус «пошел на запчасти», его гены стали необходимой частью генома наездника.

Сравнив между собой гены множества разных наездников, авторы пришли к выводу, что около 100 млн лет назад (в середине мелового периода, когда происходила быстрая сопряженная диверсификация цветковых растений и насекомых) в геном какого-то древнего наездника встроился вирус, который вскоре был одомашнен и стал помогать наездникам справляться с иммунной системой гусениц. Симбиоз с вирусом оказался настолько выгодным, что потомки этого наездника необычайно размножились и дали начало 17 тысячам современных видов.

Уже на самых ранних этапах эволюции симбиотического комплекса генетическая «начинка» вирусных частиц была заменена: теперь вместо вирусных генов в них стали упаковываться гены наездника.

Это исследование еще раз показало, что симбиоз — в том числе симбиоз животных с вирусами — является одним из важнейших путей формирования эволюционных новшеств.

Недавно был обнаружен еще один поразительный факт.

Многие насекомые буквально нашпигованы различными симбиотическими микробами. Бактерии-симбионты помогают своим хозяевам решать многие жизненные задачи: от синтеза незаменимых аминокислот и витаминов до переваривания химически чистой целлюлозы, фиксации атмосферного азота и борьбы с сорняками на грибных плантациях.

В круг задач, выполняемых бактериями — симбионтами насекомых, входит и защита хозяев от наездников. Именно эту роль взяла на себя бактерия Hamiltonella defensa, обитающая в клетках многих насекомых, в том числе тлей. Гамильтонелла, как и многие другие внутриклеточные симбионты, наследуется по материнской линии в ряду поколений насекомых-хозяев (бактерия проникает в яйца, откладываемые зараженной самкой).

Ранее было замечено, что разновидности гамильтонеллы различаются по своим защитным свойствам: одни обеспечивают надежную тли от наездника, убивая до 80–90% личинок паразита, тогда как другие защищают хозяина гораздо хуже или не защищают вовсе. Кроме того, обнаружилось, что защитные свойства гамильтонеллы коррелируют с зараженностью бактерии вирусом-бактериофагом APSE (A. pisum secondary endosymbiont). Известно несколько разновидностей этого вируса, причем в геноме каждой разновидности вируса содержатся гены белков, токсичных для животных. Было высказано предположение, что именно эти токсины, закодированные в вирусном геноме, используются симбиотическим комплексом «тля—бактерия» для борьбы с общим врагом — личинками наездника. Это предположение косвенно подтвердилось в ходе сравнения защитных свойств трех штаммов гамильтонеллы, два из которых имеют в своем геноме встроенный геном разновидности вируса APSE-3, а третий не заражен вирусом. Оказалось, что штаммы с вирусом обеспечивают очень высокий уровень защиты тли от наездника, а штамм без вируса не обладает этим свойством.

Этих данных, однако, было недостаточно для того, чтобы считать роль вируса APSE в защите тли от наездника доказанной. Дело в том, что в данном симбиотическом комплексе участвуют трое — тля, бактерия и вирус; у каждого из трех компонентов есть свой собственный геном, причем каждый из трех геномов существует в виде множества вариаций. Поэтому, например, если комплекс «тля + бактерия + вирус» защищен от паразитов, а комплекс «тля + бактерия» — нет, то причиной может быть не только присутствие или отсутствие вируса, но и генетические различия между штаммами (линиями) бактерий и тлей. В принципе, наличие вируса в геноме тех штаммов бактерии, которые защищают тлю от наездников, может оказаться случайным совпадением.

Чтобы строго доказать роль вируса во взаимовыгодном сотрудничестве бактерии и тли, нужно было получить генетически чистые линии тлей и бактерий, различающиеся только наличием или отсутствием в бактериальном геноме встроенного фага APSE.

Именно это и сделали в 2009 году американские энтомологи. Им удалось вывести три линии генетически идентичных тлей: 1) с гамильтонеллой, зараженной вирусом APSE, 2) с точно такой же гамильтонеллой, но без вируса; 3) без гамильтонеллы. Этих тлей отдавали «на растерзание» наездникам, которые откладывали в них свои яйца. Затем ученые подсчитывали в каждой из трех линий процент выживших личинок наездника (который равен проценту погибших тлей, так как в каждую тлю наездник откладывает одно яйцо, после чего выжить может только кто-то один: либо тля, либо личинка наездника).

В первой из трех линий личинки наездника сумели погубить лишь около 6% тлей, во второй и третьей — около 80%. Эти результаты доказывают, что вирус APSE действительно необходим для защиты тли от наездника.

Интересно, что содержание в своем теле защитных симбионтов не является «бесплатным удовольствием» ни для тлей, ни для бактерий. При выращивании в лаборатории в отсутствие наездников тли, не зараженные гамильтонеллой, размножаются успешнее зараженных, и в результате со временем популяция тлей может полностью освободиться от бактерии. То же самое происходит и в паре «бактерия—вирус»: оказалось, что гамильтонеллы в лабораторных линиях полностью освобождаются от вируса за 3–4 года. Разумеется, ситуация меняется на обратную, если тли регулярно подвергаются нападению наездников. В этом случае естественный отбор благоприятствует как распротранению гамильтонеллы в популяции тлей, так и распространению вируса APSE в популяции гамильтонелл.

Таким образом, в «эволюционной гонке вооружений» наездников и их жертв симбиотические вирусы участвуют в игре на обеих сторонах. Фактически, насекомые ведут друг с другом настоящую «вирусологическую войну».

Исследования подобных сибмиотических систем только начинаются. Мы еще очень мало знаем о симбиотических вирусах.

Не исключено, что та поразительная скорость, с которой насекомые приспосабливаются к новым условиям (например, к новым кормовым растениям) или вырабатывают устойчивость к ядам, отчасти объясняется деятельностью вирусов, проводящих разнообразные генно-инженерные эксперименты на бактериях — симбионтах насекомых.

Укорочение линейных хромосом при репликации. Оловников и Нобелевская премия. Шаблонный участок TERC содержит последовательность 3'-ЦААУЦЦЦААУЦ-5'. Теломераза связывает первые несколько нуклеотидов шаблона с последней теломерной последовательностью на хромосоме, добавляет новый повторяющийся участок (5'-ГГТТАГ-3'), отделяется, связывает новый 3'-конец теломеры с шаблоном и повторяет весь процесс заново.

Горизонтальный перенос генов

Вертикальная передача генов – от родителей к потомкам. Горизонтальная – от одного организма другому, не являющемуся его потомком.

Прочтение геномов множества прокариот и эукариот показало, что традиционные представления об эволюции, базирующиеся на идее дивергенции (расхождения видов), недостаточны для понимания генеалогии видов. На этом слайде показана знаменитая дарвиновская схема – единственный рисунок, которым Дарвин снабдил главный свой труд «Происхождение видов». Ветви расходятся, чтобы больше никогда не соединиться.

Данные геномики (сравнения геномов) позволяют утверждать, что в ходе эволюции многократно происходили генные переносы между разными группами организмов. По-видимому, на самых ранних этапах эволюции существовало некое общее генное "коммунальное хозяйство". Картина эволюционных связей в мире предковых (древних) прокариот представляла собой не столько дерево, сколько сеть (дерево с горизонтальными перемычками между ветвями).

По мере усложнения организмов и развития механизмов полового размножения горизонтальный перенос становился более редким явлением.

Горизонтальный перенос генов можно выявить по ряду показателей. Во-первых, по нуклеотидному составу ДНК. Отличие в нуклеотидном составе отдельного сегмента от остальной части генома является указанием на присутствие "чужих" генов. Во-вторых, по частоте встречаемости в гене определенных кодонов. Третий важный критерий – существенное отличие в положении анализируемого гена на филогенетическом (эволюционном) дереве от большинства других генов. О "чужеродном" происхождении гена может говорить высокая степень его сходства с гомологичным (т.е. соответствующим) геном из отдаленного таксона при отсутствии подобного гена у близких "родственников".

Это таблица из обзора 2001 года, которая дает представление о масштабах горизонтального переноса у прокариот. Примерно от 4 до 15 процентов генов были получены разными видами микробов путем горизонтального переноса. Речь здесь идет прежде всего о недавних событиях, потому что древние акты горизонтального переноса выявить сложнее. По последним данным число перенесенных генов может быть существенно больше. Вот здесь в таблице написано, что у E.coli 381 перенесенный ген, или 9,6%. А по более новым данным у нее 755 перенесенных генов, то есть 18%, вдвое больше. Эти 755 генов были приобретены в течение последних 200 млн лет. Примерно по 4 гена за миллион лет.

Некоторые общие закономерности горизонтального переноса у прокариот:

Горизонтальная передача генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации.

Судя по всему, появление полового процесса было закономерным результатом эволюции механизмов межорганизменной рекомбинации.

Половой процесс отличается от более примитивных механизмов двумя основными чертами:

1) большей избирательностью (то есть смешение генов происходит в основном между близкородственными организмами). Однако и у прокариот, конечно, есть такая избирательность: близкородственные микробы обмениваются генами намного чаще, чем филогенетически удаленные. У эукариот избирательность стала настолько строгой, что это привело к появлению относительно замкнутых группировок – репродуктивно изолированных, эндогамных группировок – которые мы называем биологическими видами.

У прокариот таких строго эндогамных группировок нет. Поэтому некоторые теоретики предлагают даже считать всех прокариот одним биологическим видом.

2) Второе отличие – при половом процессе объединяются и рекомбинируют не фрагменты геномов, а целые геномы. Эти отличия (между горизонтальным генетическим обменом и половым процессом) конечно очень важные, но в определенном смысле они не столько качественные, сколько количественные.

Современная генная инженерия, по сути дела, базируется на принципах горизонтального переноса генов, хотя еще недавно не было четкого понимания того, что такого рода генная инженерия широко распространена в природе.

Действительно, например, бактерии, способные к конъюгации, являются самыми настоящими природными генными инженерами. Причем они могут вводить свою ДНК не только в клетки других прокариот, но и в эукариотические клетки, как показывает пример агробактерии. Агробактерия вводит часть своей ДНК в растительную клетку, что приводит к развитию опухоли, в которой бактерия чувствует себя комфортно. Характерно, что агробактерия, как и другие родственные ей микробы, использует для введения своей ДНК или белков в клетки эукариот модифицированный аппарат конъюгации. Конъюгацию называют аналогом полового процесса у прокариот. И получается, что агробактерия совершает с растительными клетками нечто похожее на половой процесс.

Агробактерия сейчас широко используется для создания трансгенных растений. Так что генная инженерия – это вовсе не человеческое изобретение, мы научились этому у природы и пользуемся природными технологиями.

Это были общие, начальные сведения о горизонтальном переносе генов. А теперь – несколько недавно установленных фактов.

Сотрудники институт Крейга Вентера показали, что у прокариот в принципе возможен обмен целыми геномами, что может приводить к превращению одного вида бактерий в другой.

Этот институт работает над созданием искусственных микробов. Например, планируется создание микробов, которые будут производить дешевое топливо. Работы ведутся с бактериями рода Mycoplasma. Одна из важных задач проекта – это научиться вставлять целый геном в живую бактерию, полностью заменив при этом ее собственный геном.

В 2007 г Вентер и его коллеги сообщили о первой успешной пересадке целого генома от одного вида бактерий другому. Сделано было следующее. Выделили геном из бактерии Mycoplasma mycoides, которая вызывает пневмонию у коров. Геном был очищен от всех примесей и добавлен в культуру бактерий Mycoplasma capricolum, возбудителей козьего полиартрита. Эти два вида микоплазм довольно близкие, разошлись они несколько десятков миллионов лет назад, может быть, тогда же, когда разошлись их хозяева – коровы и козы. На слайде красным кружком показано положение этих видов на эволюционном древе класса Mollicutes.

Вскоре среди клеток Mycoplasma capricolum появились бактерии с признаками Mycoplasma mycoides. Детальный анализ показал, что эти бактерии по всем признакам – самые настоящие M. mycoides. Один вид бактерий превратился в другой.

По-видимому, бактерии Mycoplasma capricolum «проглатывали» чужую молекулу ДНК, т.е. имела место трансформация.

Сначала в них содержались оба генома вместе. Когда такая клетка делилась, одна из дочерних клеток получала геном одного вида, другая – другого.

Этот эксперимент показал, что у прокариот в принципе возможны и такие полногеномные акты горизонтального переноса. То есть при трансформации у прокариот в принципе нет жестких ограничений на размер фрагментов ДНК, получаемых из внешней среды. Могут передаваться не только маленькие фрагменты, но и большие, и даже целые геномы. Происходит ли такое в природе – не известно (вряд ли).

Пример, показывающий, для чего может быть нужен прокариотам горизонтальный обмен генами.

У некоторых морских планктонных бактерий известны белки – протеородопсины, позволяющие частично утилизировать энергию солнечного света. Это гораздо более простая система, чем настоящий фотосинтез, хотя и менее эффективная. Но для ее работы достаточно всего одного или двух генов, поэтому эта система легко может передаваться путем горизонтального переноса. Оказалось, что так оно и происходит. Протеородопсины обнаружены не только у разных групп бактерий в фотической зоне океана, но и у многих архей, тоже живущих в фотической зоне. Причем эти гены у бактерий и архей очень похожи друг на друга, поэтому ясно, что они передаются от одного вида другому. Получается, что эти гены являются неким общим достоянием, коллективной собственностью сообщества прокариот, живущих в фотической зоне океана.

Ранее мы говорили о генах, которые были перенесены сравнительно недавно, и поэтому факт переноса нетрудно заметить, следы еще не затерлись.

Очень интересная статья об этом вышла в июле нынешнего года. К 180 прокариотическим геномам были применены новые математические методы анализа, разработанные для изучения сетевых структур. Примененная методика позволила выявить не только недавние события горизонтального переноса, то есть связи между концевыми ветвями эволюционного древа, но и древние события, которые связывают между собой все узлы эволюционного древа прокариот.

И вот что получилось. На этом слайде показано базовое филогенетическое древо, основанное на генах рРНК.

То же древо с нанесенными «связями», отражающими перенос 20 или более генов. Всего выявлено 823 случая, когда из одной точки эволюционного дерева прокариот в другую точку было горизонтально перенесено 20 или более генов.

Вот цифры. В первой колоке – процент генов, приобретенных путем горизонтального переноса в среднем на геном, если учитывать только те гены, которые были приобретены недавно, то есть после последней дивергенции (последнего разветвления дерева). Мы видим, что цифры примерно такие же или немного больше, чем в той таблице, которую я показывал до этого.

Интереснее вторая колонка цифр. Она показывает процент генов, попавших в данный геном путем горизонтального переноса за всю историю данной эволюционной линии. И здесь мы уже видим цифры, доходящие до 98%.

Не удивительно, что авторы делают вывод о том, что представление эволюции прокариот в виде ветвящегося древа уже нельзя считать адекватным. На самом деле это не дерево, а сеть. Горизонтальный перенос происходит не очень часто, поэтому мы и видим сравнительно небольшой процент недавно приобретенных генов. Однако с течением эволюционного времени кумулятивный, суммарный эффект горизонтального переноса накапливается как снежный ком. На этом слайде показана трехмерная реконструкция эволюции прокариот с учетом горизонтального переноса.

Вот такие поистине глобальные масштабы имеет горизонтальный перенос в мире прокариот.

Я не буду (пока) останавливаться на том, что эукариотический ядерный геном является химерным (смешанным) с самого начала. Мы видим в нем смесь генов архейного и бактериального происхождения, которые объединились на ранних этапах становления эукариотической клетки. Потому что эукариотическая клетка развилась в результате слияния нескольких разных прокариот, предком эукариотической клетки было сообщество прокариот. Об этом мы поговорим позже. Но надо понимать, что смешение генов нескольких разных прокариот в едином эукариотическом геноме – это событие, конечно, тоже, следует классифицировать как акт горизонтального переноса, смешивания генов разных организмов в одном геноме.

Сейчас мы поговорим о тех событиях, котрые происходили уже после становления эукариотической клетки. У эукариот нет специальных механизмов для передачи своих генов неродственным организмам. Вроде бы нет и прямых аналогов трансформации. Однако эукариоты, особенно одноклеточные, могут тем не менее заимствовать гены у бактерий. И чем больше прочтенных эукариотических геномов, тем яснее это становится.

Рекордсменом на сегодняшний день является одноклеточная диатомовая водоросль Phaeodactylum, геном которой был прочтен в 2008 году. В геномах диатомей обнаружено много генов, которые были заимствованы у различных прокариот: цианобактерий, протеобактерий, архей и других. В геноме Phaeodactylum обнаружено 587 таких заимствованных генов, что составляет 5,6% от общего числа генов в геноме. Более половины из этих генов (56%) есть также и у центрической диатомеи Thalassiosira. Эти гены, очевидно, были заимствованы диатомеями у прокариот довольно давно — еще до расхождения эволюционных линий центрических и пеннатных диатомей. А диатомеи появились 180 млн лет назад, в юрском периоде – это довольно молодая группа. Остальные 44% прокариотических генов Phaeodactylum, то есть 258 генов, были заимствованы предками Phaeodactylum уже после разделения линий центрических и пеннатных диатомей, то есть в течение последних 90 млн лет. Отсюда можно подсчитать среднюю скорость заимствования: примерно по три гена за миллион лет. Если помните, у кишечной палочки эта скорость примерно такая же.

Какую пользу получают диатомеи от бактериальных генов? Во-первых, это расширяет их биохимические возможности. В частности, бактериальные гены участвуют в построении ажурных кремневых раковинок — главной «визитной карточки» диатомей. Диатомеи позаимствовали у бактерий также многие гены рецепторных и сигнальных белков, при помощи которых бактерии, а теперь и диатомеи, воспринимают сигналы из окружающей среды и реагируют на них. Среди заимствованных у бактерий рецепторов есть даже несколько светочувствительных белков, благодаря которым диатомеи могут реагировать на изменения освещенности.

Вполне возможно, что активный обмен генами между диатомеями и бактериями был одной из главных причин быстрой эволюции диатомей и их эволюционного успеха.

Следует упомянуть еще один важный момент, связанный с геномами диатомей. Диатомеи вместе с бурыми и золотистыми водорослями входят в состав группы Heteroconta. Считается, что гетероконты появились около 1 млрд лет назад в результате симбиоза гетеротрофной эукариотической клетки с одноклеточной красной водорослью. У красных водорослей, как и у зеленых растений, хлоропласты являются первичными, то есть происходят напрямую от симбиотических цианобактерий. Предки гетероконт проглотили одноклеточную красную водоросль и превратили ее в фотосинтезирующего симбионта. Впоследствии от клетки красной водоросли почти ничего не осталось, кроме внешней оболочки и хлоропласта. Поэтому хлоропласты гетероконт являются «вторичными», и они окружены не двумя, а четырьмя мембранами. Чтобы проверить эту теорию, был предпринят поиск в геномах диатомей генов, похожих на гены красных водорослей. Поиск увенчался успехом: выявили более 170 генов, унаследованных предками диатомей от красных водорослей. Таким образом, массовый горизонтальный перенос генов, связанный с симбиогенезом, происходил и после того, как сформировалась эукариотическая клетка.

В целом новые данные говорят о том, что горизонтальный генетический обмен играет в эволюции одноклеточных эукариот более важную роль, чем считалось до сих пор.

Но вот когда мы переходим от одноклеточных эукариот к многоклеточным, то факты горизонтального переноса сразу становятся гораздо более редкими. И все-таки такие факты есть, и их количество быстро растет.

Раффлезия — паразитическое растение с самыми крупными в мире цветами, но полностью лишенное листьев, стебля и корней. Привлекает опылителей запахом тухлого мяса. Раффлезия паразитирует на лианах рода Tetrastigma. Она образует в тканях хозяина тяжи, напоминающие грибной мицелий, и все, что осталось у нее от цветкого растения – это цветок. Систематическое положение раффлезии по морфологическим признакам не определялось, и только в 2007 году по молекулярным данным установили, что она относится к семейству молочайных. По всем генам она группируется с молочайными, однако по одному из митохондриальных генов (nad1B-C) раффлезия оказывается ближайшим родственником своего хозяина – лианы Tetrastigma. Очевидно, часть митохондриального генома была заимствована раффлезией у хозяина.

В последние два-три года было описано еще несколько десятков случаев горизонтального переноса митохондриальных генов от одного растения к другому. Почему-то именно растительные митохондрии активно участвуют в горизонтальном переносе. Часто в обмене участвуют паразитические или эпифитные растения, то есть нужен тесный физический контакт. Рекордсменом является очень примитивное цветковое растение Amborella, которая растет в Новой Каледонии. Она заимствовала у других растений целых 24 митохондриальных гена.

Но описаны и единичные случаи обмена ядерными генами. Например, недавно была обнаружена горизонтальная передача транспозона между двумя видами злаков (рис и просо).

В 2007 году было показано, что гены и даже целые геномы паразитических бактерий иногда могут вставляться в хромосомы животных-хозяев.

Вольбахия — паразитическая бактерия, живущая в клетках многих беспозвоночных. Вольбахию называют микробом-манипулятором, потому что она научилась при помощи регуляторных белков управлять размножением и развитием своим хозяев. Например, она умеет превращать самцов в самок, избирательно убивать зародышей мужского пола, повышать плодовитость зараженных самок и так далее. Вольбахия паразитирует в клетках беспозвоночных уже 100 миллионов лет, и ее предки тоже были внутриклеточными паразитами. При таком долгом и тесном сожительстве было бы даже странно, если бы фрагменты генома вольбахии не попадали бы хотя бы иногда в хозяйский геном. Но до сих пор доказать это не удавалось, и удалось только в 2007 году.

В геномах 4 видов насекомых и 4 видов круглых червей-филярий обнаружены фрагменты генома вольбахии, причем в одном случае - у Drosophila ananassae – геном бактерии оказался вставлен в геном хозяина целиком. Получается, что в ядрах клеток этих мух содержится генетическая информация сразу о двух разных организмах!

Многие гены, заимствованные мухой у бактерии, работают, или по крайней мере транскрибируются. Это значит, что инкорпорация бактериальной ДНК может быть одним из способов приобретения новых генов в эволюции животных.

Теоретически такие бактерии, как вольбахия, паразитирующие в клетках животных, может служить вектором (переносчиком), обеспечивающим передачу генов от одних животных к другим. Ведь в геноме самой вольбахии есть гены, заимствованные у эукариотических хозяев.

.«Молекулярное одомашнивание» можно рассматривать как вариант горизонтального генетического обмена (животные и растения заимствуют полезные гены у вирусов или МГЭ).