Перспективы отбора. От зеленых пеночек и бессмысленного усложнения до голых землекопов и мутирующего человечества

рис. 2.1. Кратчайшие разрешенные эволюционные пути от AVST к последовательностям MLAI и SIQC. Функциональные (разрешенные) последовательности обведены рамками. Контурными буквами обозначены аминокислоты, отсутствующие в начальной и конечной последовательностях. Два левых рисунка в качестве единичного эволюционного события предполагают замену аминокислоты в белке, на правом рисунке таким событием считается замена одного нуклеотида в ДНК. В последнем случае путь получается длиннее из-за структуры генетического кода: от каждой аминокислоты путем замены одного нуклеотида можно прийти не ко всем, а лишь к некоторым из остальных 19 аминокислот. По рисунку из Podgornaia, Laub, 2015.

Во многих случаях все кратчайшие пути оказываются запрещенными. Тогда маршрут из одной точки пространства последовательностей в другую (например, путь от AVST к SIQC, показанный на рис. 2.1 слева внизу) оказывается длиннее, чем кратчайший из потенциально возможных (кратчайший путь предполагает три промежуточных состояния, а на рисунке их четыре).

Ну а если учесть, что реальные единичные мутации обычно представляют собой замену одного нуклеотида в ДНК (а не триплета на любой другой триплет), то проходимость ландшафта окажется еще ниже. На рис. 2.1 справа показан кратчайший разрешенный путь от AVST к MLAI с учетом этого обстоятельства. Теперь он состоит не из четырех, а из целых десяти шагов. Это объясняется структурой генетического кода, которая позволяет путем единичных нуклеотидных замен переходить от данной аминокислоты только к некоторым, но не к любым другим аминокислотам. Например, фенилаланин кодируется триплетами UUU и UUC. Изменив в любом из этих триплетов только одну букву, можно заменить в белковой молекуле фенилаланин на лейцин, изолейцин, валин, серин, тирозин или цистеин. Для перехода к любой из оставшихся 13 аминокислот потребуется не одна, а две или три нуклеотидных замены. Таким образом, эпистаз и структура генетического кода совместными усилиями делают ландшафт приспособленности труднопро- ходимым.

В целом топография изученного плато ландшафта приспособленности оказалась довольно замысловатой. Это плато мало похоже на гладкое, легкопроходимое поле. Оно подразделяется на несколько областей, внутри каждой из которых эволюционирующий белок может передвигаться относительно свободно, однако переход в соседнюю область возможен лишь по немногочисленным тропкам. Некоторые разрешенные последовательности вообще оказываются недосягаемыми из обжитой реальными бактериями области пространства последовательностей. По-видимому, эволюция белок-белкового интерфейса действительно настолько затруднена эпистазом и структурой генетического кода, что эволюция просто не успела разведать многие потенциально доступные области пространства последовательностей.

Данное исследование кому-то может показаться слишком скучным и специальным. Но только не биологам, привыкшим считать «пространство последовательностей» и «ландшафт приспособленности» абстракциями, полезными для теоретических построений, но недосягаемыми для реального изучения. Больше всего впечатляет сам факт, что стало в принципе возможным прямое экспериментальное картирование отдельных областей пространства последовательностей. Хотя, конечно, речь пока идет лишь о четырех аминокислотных позициях, то есть о переборе 204 вариантов. Полное картирование пространства всех возможных белков навсегда останется неразрешимой задачей.

Исследование № 3

«Эволюция умнее, чем ты»: рождение экологического разнообразия

Эволюция не останавливается, организмы приспосабливаются к среде обитания все лучше и лучше даже при неизменных условиях. Но этого мало: даже самая простая среда с точки зрения эволюционирующих в ней организмов оказывается весьма сложной, предоставляющей много альтернативных возможностей. Какой из них следует воспользоваться? Это уж как получится. Одни особи могут повышать приспособленность, подстраиваясь под одни факторы среды, другие — под иные. При этом обе группы, меняясь, неизбежно будут менять и среду обитания друг для друга, и к этим изменениям тоже придется приспосабливаться. В итоге изначально однородная популяция может разделиться на две взаимозависимые, нуждающиеся друг в друге части. Возможно ли такое наблюдать? Оказывается, да. И это еще один замечательный, вполне логичный, хотя и непредвиденный результат долгосрочного эксперимента Ленски, обнародованный в 2017 году. Здесь речь идет о 60 000 поколений. В ходе исследования выяснилось, что за это время как минимум в девяти популяциях из двенадцати произошла экологическая дивергенция: исходно одинаковые бактерии разделились на экологические разновидности. Эти разновидности взаимодействуют друг с другом, сосуществуя вполне по-соседски. Внутри каждой разновидности эволюция продолжается своим ходом, причем дальнейшие изменения направляются как предшествующей эволюционной историей, так и меняющимся экологическим окружением. Таким образом, эволюция перехитрила исследователей, надеявшихся изучить действие мутаций и отбора в «предельно простой» искусственной системе.

Эксперимент Ленски изначально был спланирован так, чтобы свести к минимуму все «осложняющие обстоятельства»: изменения среды, генетический обмен, экологические взаимодействия между организмами. Ученые хотели получить в чистом виде самый главный эволюционный процесс — адаптацию к среде на основе мутаций и отбора. Однако, как метко заметил биохимик Лесли Орджел, «эволюция умнее, чем ты». Он имел в виду, что исследователям, утверждающим, будто эволюция на что-то не способна, скорее всего, просто не хватает воображения. Как выясняется, эволюция не боится сложностей и «в чистом виде» ничего не демонстрирует, порождая, вопреки чаяниям ученых, куда более замысловатые результаты, чем от нее ждут. В подопытных популяциях Ленски, существующих, казалось бы, в самых простых условиях, какие только можно придумать, стали сами собой зарождаться экологические взаимодействия, основанные на диверсификации (разделении) ниш. А это, в свою очередь, заставляет бактерий заново приспосабливаться к меняющейся биотической обстановке (Good et al., 2017).

На этот раз Ленски и его коллеги провели генетический анализ всей замороженной «ископаемой летописи» эксперимента, накопившейся за 60 000 бактериальных поколений и насчитывающей около 1440 проб (по 120 проб на каждую из двенадцати популяций). Для каждой пробы был проведен метагеномный анализ с 50-кратным покрытием. Это значит, что из пробы выделяли ДНК и секвенировали случайные фрагменты геномов до тех пор, пока каждый участок генома кишечной палочки не оказался «прочтен» в среднем 50 раз. Этого оказалось достаточно, чтобы идентифицировать все новые мутации, которые возникали в подопытных популяциях и достигали частоты не менее 10 % (то есть встречались как минимум у каждой десятой бактерии) хотя бы в двух пробах. Мутации, не получившие столь широкого распространения, не учитывались, потому что их трудно отличить от случайных ошибок секвенирования. В итоге получилась детальная реконструкция эволюционного процесса в двенадцати популяциях.

Выводы о том, что рост приспособленности замедлился, но не прекратился, подтвердились (см. Исследование № 1). Темп накопления новых мутаций остался высоким.

Главное же открытие состоит вот в чем. Динамика накопления мутаций не вписывается в простейшую модель, согласно которой эволюция монокультуры бесполых организмов в стабильных условиях сводится к последовательной фиксации отбором вновь возникающих полезных мутаций. Эта модель не может объяснить наблюдаемую картину даже с учетом таких осложняющих обстоятельств, как генетический автостоп и клональная интерференция, о которых мы говорили выше.

Оказалось, что многие мутации, достигнув некоторой частоты, вдруг перестают распространяться, то есть двигаться дальше в сторону фиксации (стопроцентной частоты встречаемости). А ведь именно таков должен быть естественный ход событий, если клон с данной мутацией имеет более высокую приспособленность, чем другие бактерии. Может быть, распространение мутации остановилось из-за того, что появился более приспособленный конкурент? Но тогда прежние чемпионы должны постепенно вытесняться из популяции и исчезать. Однако этого тоже не происходит. Частота мутации начинает колебаться около какого-то промежуточного значения. Эти колебания могут продолжаться десятки тысяч поколений. В чем же дело?

Метагеномные данные, полученные для каждой из 1440 проб, представляют собой множество отсеквенированных кусочков ДНК, принадлежащих разным бактериям. Поэтому нельзя сразу понять, какие мутации относятся к одному клону, а какие — к разным. Однако ученым удалось разобраться в этом, проанализировав согласованность изменений частот мутаций во времени (поскольку частоты мутаций, находящихся в одном и том же геноме, меняются синхронно). В итоге выяснилось, что по крайней мере в девяти из двенадцати подопытных популяций в течение длительного времени (свыше 10 000 поколений) имело место устойчивое сосуществование как минимум двух разных клад (эволюционных линий, ветвей). Внутри этих клад шли свои собственные эволюционные процессы, то есть появлялись и фиксировались различные мутации.

Это значит, что в большинстве популяций произошла диверсификация. Разные клады как-то поделили между собой экологические ниши и стали устойчиво сосуществовать, приспосабливаясь теперь уже не только к изначально заданным условиям среды, но и к специфическому и переменчивому биотическому окружению.

Анализ истории отдельных клад показал, что адаптивная эволюция внутри них продолжается полным ходом: появляются новые полезные (для данной клады) мутации; их частоты растут под действием отбора; вместе с ними распространяются «автостопом» другие (не такие полезные) мутации; многие генетические варианты, достигнув заметной частоты, впоследствии вымирают, вытесненные более удачливыми конкурентами. И все это происходит уже не в масштабах всей популяции, а по отдельности в каждой из клад. Поэтому отчасти теряет смысл оценка приспособленности бактерий по скорости их роста по сравнению с предковым штаммом: ведь теперь их реальная приспособленность зависит еще и от того, насколько успешно они взаимодействуют с соседями по колбе.

Таким образом, эксперимент опроверг чрезмерно упрощенные представления о том, как должна эволюционировать бесполая популяция в стабильной среде. Ничего похожего на замедление и остановку эволюции не наблюдается, запас потенциально полезных мутаций не исчерпывается, и даже темп их накопления практически не снижается (снижается лишь их средняя полезность). Вместо этого мы видим самопроизвольное усложнение сообщества, своего рода симпатрическое видообразование, когда монокультура превращается в экосистему с подразделенными нишами. Так что Лесли Орджел был, конечно, прав насчет того, кто умнее — эволюция или теоретики, считающие, что всё про нее знают.

Исследование № 4

Ранние этапы адаптации предсказуемы, поздние — случайны

Эксперимент Ленски показал, что в бесполых популяциях даже в неизменных условиях идет непрерывный рост приспособленности. Происходит это за счет накопления и закрепления полезных мутаций. Хорошо бы разобраться подробнее в этом процессе: что за мутации, как и в какой последовательности они распространяются в популяции. Эту непростую задачу удалось решить с помощью новой методики «генетического штрихкодирования». Применив ее, американские ученые смогли в небывалых подробностях изучить процесс накопления полезных мутаций в большой бесполой популяции дрожжей при адаптации к новой среде. Как выяснилось, на начальных этапах общий рост приспособленности популяции идет за счет высоковероятных мутаций со слабым положительным эффектом, которые возникают независимо у множества особей. На этой стадии процесс адаптации предсказуем: его можно описать простыми формулами. В дальнейшем роль случайности возрастает, потому что на первый план выходят маловероятные мутации с сильным полезным эффектом. Кроме того, исследование наглядно показало, что темп появления полезных мутаций может быть весьма высоким.

В популяциях, насчитывающих миллионы особей, в каждом поколении возникает множество новых мутаций — и вредных, и полезных, и нейтральных (напомним, что категория мутации определяется ее влиянием на приспособленность, то есть на эффективность передачи особью своих генов следующим поколениям). Все эти мутации вносят вклад в среднюю приспособленность особей, от которой зависит скорость роста численности популяции. Возникновение новых мутаций и изменение частоты их встречаемости под действием отбора и генетического дрейфа — самые фундаментальные эволюционные процессы. Нельзя понять эволюцию, не изучив их во всех подробностях.

Но как уследить за тысячами мутаций, происходящих у миллионов особей? Секвенировать целиком миллионы геномов — неподъемная задача даже при современном уровне развития биотехнологий. Если же применять выборочное секвенирование, то в поле зрения исследователей попадут только те мутации, которые достигли высокой частоты встречаемости (например, как в Исследовании № 3). Картина получится весьма неполной. Ведь многие возникающие полезные мутации, вероятно, никогда не становятся массовыми, однако свой вклад в общую приспособленность тем не менее вносят.

Альтернативный подход состоит в том, чтобы пометить отдельные клоны (клетки, произошедшие от одной и той же родительской клетки) наследуемой генетической меткой, а потом следить, как меняется численность каждого из них. Если численность какого-то клона вдруг начала экспоненциально расти, в то время как число всех особей популяции остается постоянным, значит, у одного из представителей этого клона возникла полезная мутация. При этом скорость роста является мерой полезности мутации. Например, если рост численности клона описывается уравнением N = N₀ × (1 + 0,05)t, где время t измеряется в поколениях, значит, мутация повысила приспособленность на 5 % (в таких случаях говорят, что полезность мутации, обозначаемая буквой s, равна 0,05).

Именно такое маркирование и осуществили американские биологи, продемонстрировав настоящий прорыв в технике наблюдений за эволюцией многомиллионных популяций (Levy et al., 2015). Ученые работали с двумя бесполыми популяциями дрожжей (их искусственно лишили способности к половому размножению, так что они размножались только почкованием) численностью по 108 клеток. Популяции были произведены от одной-единственной предковой клетки, то есть изначально геномы всех дрожжей были одинаковыми. В каждой популяции были помечены индивидуальными генетическими метками примерно по 500 000 клонов. Как это удалось сделать? Сначала изготовили большую коллекцию кольцевых молекул ДНК — плазмид, — содержащих случайные двадцатинуклеотидные последовательности (генетический «штрихкод»). Эти плазмиды внедрялись в дрожжевые клетки, геномы которых были предварительно модифицированы таким образом, чтобы плазмиды встраивались в строго определенное место генома при помощи особого фермента — Cre-рекомбиназы. В итоге удалось получить две популяции численностью по 108 клеток, в которых каждая клетка принадлежала к одному из полумиллиона помеченных клонов.

Затем в течение 168 поколений обе популяции адаптировались к «голодной» среде, где размножение ограничивалось количеством глюкозы (как и в эксперименте Ленски). Численность каждого клона отслеживалась путем массового секвенирования небольшого фрагмента генома, содержащего «штрихкод». Секвенировать приходилось лишь 0,002 % генома, что позволило резко увеличить разрешающую способность метода по сравнению с полногеномным секвенированием. В поле зрения исследователей попали даже те мутации, частота встречаемости которых в популяции никогда не превышала 10–5, тогда как секвенирование полных геномов позволило бы отследить лишь клоны с относительной численностью 10–2 и выше. В результате вместо 25 000 зарегистрированных мутаций исследователи сумели бы обнаружить лишь около 15 (для сравнения вспомним, что в Исследовании № 3 удалось проследить судьбу только тех мутаций, чья частота встречаемости достигала 10 %, то есть 10–1, или более).

Впрочем, даже зная численность каждого клона в разные моменты времени, определить, в каком из них возникла полезная мутация, — не такая простая задача (рис. 4.1). Каждая мутация возникает сначала у одной особи. Пока число потомков удачного мутанта невелико, динамика их численности определяется не столько приспособленностью (и следовательно, отбором), сколько случайными колебаниями (дрейфом). Большая часть вновь возникающих полезных мутаций теряется из-за дрейфа: потомки удачного мутанта просто не успевают достичь такой численности, при которой отбор «заметит» их полезное свойство и начнет его поддерживать. Мутация становится заметна для отбора (и выходит из-под власти дрейфа) лишь по достижении численности мутантов, сопоставимой с 1/s. Например, мутация с полезностью 0,01 (повышающая приспособленность на 1 %) становится заметна для отбора при числе мутантов около 100. Мутантному клону должно повезти, чтобы его численность случайно (то есть за счет дрейфа) доросла до этого порога, — и лишь тогда за дело возьмется отбор. Такую мутацию называют «установившейся». Это значит, что она уже не потеряется из-за дрейфа.

После того как мутация «установилась», численность клона будет экспоненциально расти. По скорости роста можно оценить полезность мутации (s), а экстраполяцией в прошлое примерно определить время возникновения мутации (τ). Впрочем, этот удобный для количественного анализа период в истории клона будет продолжаться лишь до тех пор, пока в геноме, уже содержащем одну полезную мутацию, не возникнет вторая. После этого все расчеты резко затрудняются и картина смазывается. Именно поэтому данная методика позволяет анализировать лишь начальные этапы адаптации — пока вероятность возникновения дополнительных полезных мутаций пренебрежимо мала (а она перестает быть таковой, когда численность клона приближается к 1/U_b, где U_b — частота возникновения полезной мутации в расчете на особь за поколение).

рис. 4.1. Типичная судьба клонов бесполых организмов в ходе адаптации. Темно-серым цветом показана динамика численности клона дрожжей, в котором не возникло полезных мутаций. Такой «нейтральный» клон, скорее всего, не достигнет высокой численности и будет вытеснен более успешными конкурентами. Светло-серым цветом показана судьба клона, в котором в момент времени τ возникла полезная мутация (изображена звездочкой). Пока численность такого клона мала, он может вымереть просто случайно (из-за дрейфа). Чтобы отбор начал поддерживать носителей полезной мутации, клон должен достичь (опять-таки случайно) пороговой численности, которая для мутации с полезным эффектом s примерно равна 1/s. После прохождения этого порога клон с полезной мутацией вступает в фазу экспоненциального роста численности. Когда численность клона приблизится к 1/U_b, где U_b — частота возникновения полезных мутаций, в нем с большой вероятностью начнут появляться дополнительные полезные мутации. Шкала по вертикальной оси логарифмическая. По рисунку из Levy et al., 2015.

После того как был получен гигантский массив данных по скоростям роста численности отдельных клонов (а мы помним, что их полмиллиона в каждой из двух подопытных популяций), в дело пошла статистика и компьютерное моделирование. Выводы получились следующие.

Численность большинства клонов с течением времени снижалась, нередко до полного исчезновения клона. Такая судьба характерна для «нейтральных» клонов, в которых не возникло полезных мутаций. Однако примерно у 5 % клонов за первую сотню поколений появилась и «установилась» хотя бы одна полезная мутация.

По мере размножения клеток с полезными мутациями средняя приспособленность популяции росла. Это, в свою очередь, приводило к тому, что «нейтральные» клоны, в которых не было полезных мутаций, оказывались во все более проигрышном положении. Их численность продолжала убывать. Более того, многие «удачливые» клоны, поначалу бодро размножавшиеся благодаря рано возникшей слабополезной мутации, в дальнейшем приходили в упадок и вымирали. Это объясняется тем, что на фоне возросшей приспособленности конкурентов их полезная мутация уже не давала преимущества.

Средняя приспособленность популяций за 100 поколений выросла на 5 %. Соответственно, к этому времени все обладатели мутаций с s < 0,05 оказались в проигрыше, хотя на ранних этапах именно эти многочисленные клоны вносили основной вклад в общий рост приспособленности.

Эти результаты говорят о том, что ключевым процессом, определяющим эволюционную динамику большой бесполой популяции, является безжалостная конкуренция между клонами — обладателями разных полезных мутаций (клональная интерференция). При этом ранними стадиями адаптации заправляют высоковероятные и потому многочисленные слабополезные мутации. Таких мутаций, повышающих приспособленность на 2–5 % (0,02 < s < 0,05, мутации с более слабым эффектом остались незамеченными), в первой из двух подопытных популяций установилось около 20 000, во второй — 11 000. На этом этапе ход адаптации в значительной мере предсказуем: его можно описать уравнениями и при повторных эволюционных экспериментах результаты получаются схожими. Затем, по мере роста средней приспособленности, многочисленные слабополезные мутации фактически перестают быть полезными и начинают отбраковываться. Продолжает нарастать лишь численность тех немногих клонов, в которых возникли редкие мутации с сильным положительным эффектом. К 70-му поколению динамика общей приспособленности определялась в основном мутациями с полезностью около 0,1. Таких мутаций в двух подопытных популяциях было 5000 и 3000 соответственно. После 110-го поколения на первый план вышли примерно по 100 клонов с наиболее полезными мутациями (s > 0,1). На этом этапе ход адаптации становится все менее предсказуемым, поскольку то, когда и в каком количестве возникнут эти маловероятные мутации, зависит от случая.

Внимательный читатель может заметить кажущееся противоречие между этими результатами и теми, которые были получены в эксперименте Ричарда Ленски (см. Исследование № 1). Там сначала закреплялись мутации с сильным положительным эффектом, а лишь затем начинали фиксироваться слабополезные. На самом деле расхождений тут нет, просто речь идет о разном временном масштабе и о разных этапах адаптации: у Ленски — десятки тысяч поколений, в рассматриваемой работе — 168. Иными словами, в данном исследовании внимание фокусируется на том начальном этапе, который Ленски пролетел на полном ходу. Разнятся также отслеживаемые параметры и разрешающая способность методов. В работе Ленски регистрировались уже зафиксировавшиеся, то есть достигшие стопроцентной частоты, полезные мутации, а здесь говорится о мутациях, только начавших свой путь. Подавляющее большинство из них никогда не зафиксируется, а будет вытеснено в ходе клональной интерференции. Если бы эксперимент продлился еще несколько тысяч поколений, то зафиксировались бы как раз немногочисленные мутации с самым сильным положительным эффектом, точно как в эксперименте Ленски.

Исследование раскрыло тонкие детали начальных этапов адаптации. В частности, оно объяснило, почему многочисленные слабополезные мутации поначалу не имеют шанса зафиксироваться: они неизбежно отбраковываются по мере роста общей приспособленности популяции.

Исследование также наглядно показало, что полезные мутации — вовсе не редкость. После того как дрожжи были помещены в «голодные» условия, полезные мутации с s > 0,05 (то есть очень полезные) возникали с частотой одна мутация на 1 000 000 клеток за поколение. Базовая частота мутирования (возникновения любых мутаций) составляла одну мутацию на 200 клеток за поколение. Получается, что очень полезной оказывалась в среднем одна мутация из каждых 5000. Чуть менее полезных мутаций (0,02 < s < 0,05) возникало на порядок больше: умеренный полезный эффект давала каждая пятисотая мутация. Это очень много! И ведь это только мутации, которым повезло быть подхваченными отбором, без учета тех, что сразу потерялись из-за дрейфа.

Впрочем, частоты появления полезных мутаций зависят от условий, к которым нужно приспосабливаться. Мутации случайны, но вероятность того, что та или иная случайная мутация окажется полезной, зависит от обстановки. Понятно, что, если поместить дрожжи в идеальные для них условия, вероятность того, что случайная мутация окажется полезной, будет крайне низка. Когда все и так прекрасно, трудно что-то улучшить (и очень легко испортить). Соответственно, в плохих условиях вероятность того, что случайная мутация произведет положительный эффект, будет выше. Этот общий закон жизни иногда называют «принципом Анны Карениной», поскольку первая фраза романа Льва Толстого наглядно его иллюстрирует: существует много разных способов все испортить, но очень мало способов достичь совершенства.

Таким образом, начальный рост общей приспособленности бесполой популяции обусловлен теми слабополезными мутациями, которым не суждено достичь высоких частот и которые вскоре будут вытеснены. Таких мутаций оказалось неожиданно много. Однако бесполая популяция бездарно растрачивает почти все это «генетическое богатство» из-за клональной интерференции. Настоящая гонка начинается уже после того, как слабые игроки вышли игры.

Исследование № 5

Происхождение митоза, мейоза и полового размножения

До сих пор мы говорили об эволюции бесполых популяций, в которых нет горизонтального обмена генетической информацией между организмами. В природе, однако, такой обмен в той или иной форме распространен очень широко, а самых впечатляющих успехов добились организмы, практикующие на удивление сложный (и порой весьма затратный) его вариант, известный под названием «половое размножение». Прежде чем обсуждать, зачем оно нужно (один из любимых вопросов эволюционистов-теоретиков, который им никогда не надоедает), хорошо бы понять, как вообще мог возникнуть данный тип межорганизменной рекомбинации (перемешивания генетического материала разных особей). Познакомимся с одной из гипотез. Она связывает происхождение полового размножения с полиплоидными прокариотами (археями), обитавшими в мелководных микробных сообществах в начале протерозойского эона. В то время уровень свободного кислорода уже начал расти, но озонового экрана еще не образовалось, так что темп мутагенеза должен был резко повыситься. Моделирование показывает, что в таких условиях полиплоидность у прокариот, не имеющих митоза, дает кратковременное эволюционное преимущество, но в долгосрочной перспективе повышает риск вымирания из-за накопления рецессивных вредных мутаций. Полиплоидные микробы могли справляться с этой проблемой несколькими способами, причем все они подозрительно напоминают те или иные аспекты или этапы полового размножения. Их постепенное совершенствование и комбинирование логически приводит к появлению сначала митоза, а затем мейоза и полового размножения. Гипотеза объясняет, как и почему вместе с половым размножением должны были возникнуть и некоторые другие специфические особенности эукариот: множественные линейные хромосомы, высокий уровень генетической избыточности и быстрое появление новых генных семейств на заре эволюции эукариот. К числу фактов, согласующихся с гипотезой, относится и недавно обнаруженная корреляция между полиплоидностью и наличием гистонов у архей.

Происхождение эукариот и половое размножение. Появление эукариот — второе по значимости событие в истории земной жизни (первое — само возникновение жизни). Эукариотическая клетка устроена гораздо сложнее, чем прокариотическая, а промежуточные формы между ними, существовавшие когда-то, вымерли. Поэтому вопрос о происхождении эукариот остается одним из самых сложных и спорных в эволюционной биологии. Правда, недавно ситуация резко изменилась к лучшему благодаря открытию асгардархей — неизвестной ранее большой группы архей, которая по многим признакам является промежуточной между обычными археями и эукариотами. Но даже с учетом асгардархей получается, что эволюционный путь от последнего общего предка эукариот и их ближайших архейных родственников до последнего общего предка всех современных эукариот (LECA, last eukaryotic common ancestor) был долгим и трудным. На этом пути предки эукариот приобрели целый ряд признаков, которых нет ни у кого из прокариот, даже у асгардархей. Одним из последних шагов на этом пути стало, по-видимому, приобретение внутриклеточных симбионтов — альфа-протеобактерий, давших начало митохондриям.

К числу эукариотических инноваций, наиболее трудных для объяснения, относится эукариотический секс (называемый также амфимиксисом, или попросту половым размножением). Это специфический и очень эффективный способ перемешивания генетического материала разных особей, включающий сингамию (слияние гаплоидных клеток или ядер, приводящее к удвоению хромосомного набора) и мейоз (особый вариант клеточного деления, приводящий к сокращению числа хромосом вдвое). Мейоз сопровождается кроссинговером, в ходе которого гомологичные хромосомы обмениваются гомологичными участками.

Прокариотический секс (горизонтальный перенос генов, ГПГ) устроен гораздо проще. Можно назвать три основных отличия эукариотического секса (полового размножения) от прокариотического (ГПГ).

Во-первых, у эукариот обмен генами взаимный, двусторонний: каждый участник является и донором, и реципиентом. У прокариот передача генетического материала строго однонаправленная: один участник — донор ДНК, другой — реципиент.

Во-вторых, для эукариот характерна полногеномная рекомбинация: в обмене участвуют два полных генома. У прокариот в рекомбинации участвует один полный геном и один фрагмент.

В-третьих, у эукариот все гены, участвующие в рекомбинации, сохраняют шанс перейти к потомкам. У прокариот фрагмент ДНК донора либо встраивается в геном реципиента вдобавок к уже имеющимся там генам (но этот вариант не может использоваться регулярно, например в каждом поколении, ведь это привело бы к безудержному разрастанию генома), либо замещает собой гомологичный фрагмент генома реципиента. При этом замещенные аллели реципиента уничтожаются и теряют шанс перейти к потомкам (рис. 5.1).

рис. 5.1. Один из способов горизонтального переноса генов у прокариот (естественная трансформация, сопряженная с гомологичной рекомбинацией), наиболее близкий по своим эволюционным последствиям к эукариотическому сексу. Бактерия поглощает фрагмент чужой ДНК из окружающей среды (это могут быть, например, фрагменты геномов погибших бактерий того же вида), а затем встраивает его в свою кольцевую хромосому вместо собственного гомологичного фрагмента. В результате аллели бактерии-реципиента уничтожаются, замещаясь чужими аллелями. В данном случае аллель B встроился в хромосому и будет передан потомкам, а аллель b погиб.

Раньше многие специалисты предполагали, что первые эукариоты были бесполыми (размножались клонально — простым делением — и не имели полового процесса), а потом у кого-то из них появилось половое размножение. В таком случае проблема возникновения эукариотического секса не связана напрямую с проблемой происхождения эукариот. Однако по мере накопления геномных данных стало ясно, что эукариотический секс является одной из фундаментальных особенностей эукариот, которая почти наверняка имелась уже у LECA. В частности, появляется все больше аргументов в пользу того, что все современные бесполые группы эукариот произошли от предков, имевших мейоз (в их геномах сохранились остатки необходимых для мейоза генов), а значит, и половой процесс. Стало быть, происхождение эукариот и происхождение полового размножения — проблемы взаимосвязанные.

Половой процесс солелюбивой археи Haloferax. Если эукариотический секс — исходный признак эукариот, то имеет смысл поискать среди современных архей варианты генетического обмена, переходные между типичным прокариотическим и эукариотическим сексом. Крайне интересно было бы выяснить, как меняются генами асгардархеи (переходная группа между обычными археями и эукариотами), но об этом пока ничего не известно. На сегодняшний день подробно изучена система генетического обмена только у одной археи — солелюбивого (галофильного) микроба Haloferax volcanii, обитателя Мертвого моря. У Haloferax обнаружена система передачи генетического материала, действительно похожая на что-то промежуточное между обычным прокариотическим ГПГ (например, конъюгацией бактерий) и эукариотическим сексом.

Клетки Haloferax спариваются, соединяясь цитоплазматическими мостиками, по которым геномная ДНК может передаваться в обе стороны, то есть обе клетки могут быть как донорами, так и реципиентами генетического материала. При этом могут передаваться и крупные фрагменты хромосомы (длиной до 13 % генома как минимум). В лаборатории можно добиться даже слияния клеток: для этого понижают концентрацию ионов Mg2+ в среде, что приводит к растворению клеточных стенок и дестабилизации цитоплазматических мостиков. Предполагается, что такое слияние иногда происходит и в природе.

В 2010 году Гросс и Бхаттачарья предложили красивую гипотезу, связывающую воедино происхождение эукариот и полового размножения и опирающуюся в том числе на данные по половому процессу Haloferax (Gross, Bhattacharya, 2010). В ней обосновываются три положения:

1) Первые эукариоты появились в раннепротерозойских мелководных местообитаниях, когда концентрация кислорода начала расти, но озонового экрана еще не было. Под действием ультрафиолета на мелководьях должна была повыситься концентрация активных форм кислорода — сильных мутагенов. Появление эукариот стало закономерным итогом попыток архей защититься от этой напасти.

2) Архейные предки эукариот обменивались генами примерно так же, как современные представители рода Haloferax. Гросс и Бхаттачарья выстроили гипотетический сценарий постепенного эволюционного перехода от полового процесса Haloferax к полноценному эукариотическому сексу.

3) Совершенствование системы генетического обмена было необходимо предкам эукариот, поскольку они использовали чужую ДНК в качестве матрицы для починки разрывов двойной спирали своей ДНК при помощи гомологичной рекомбинации (примерно так, как это делает микроб Deinococcus radiodurans, способный выдерживать колоссальные дозы радиации).

При всех достоинствах этой гипотезы она не учитывает одну важную деталь, которая не противоречит первым двум пунктам, но сильно бьет по третьему. Дело в том, что Haloferax, как и многие другие археи, — полиплоиды, то есть имеют в каждой клетке множество (в среднем 17) копий генома — кольцевых хромосом.

Полиплоидность архей и ее эволюционные следствия. Все привыкли думать, что у прокариот в клетке только одна кольцевая хромосома. У многих бактерий и архей это действительно так. По умолчанию считалось, что Haloferax тоже моноплоиды. Однако исследования последних лет показали, что полиплоидность широко распространена у бактерий и архей. В частности, полиплоидами являются, по-видимому, все галоархеи (группа солелюбивых архей, к которым относится род Haloferax), метаногены и термоплазмы. Полиплоидной клетке не нужна чужая ДНК, чтобы чинить разрывы при помощи гомологичной рекомбинации: у нее для этого достаточно собственных хромосом.

Полиплоидность может быть полезна прокариотам по целому ряду причин, включая упомянутую репарацию разрывов ДНК, отсроченное фенотипическое проявление вредных рецессивных мутаций и повышенную надежность синтеза белка в неблагоприятных условиях. Помимо прочего, «лишняя» геномная ДНК служит запасом пищи на черный день (полиплоидные археи попросту съедают часть своих хромосом, когда им не хватает фосфора).

Полиплоидность Haloferax заставляет по-новому взглянуть на природу факторов отбора, которые привели к появлению эукариотического секса. Причем все становится даже интереснее, чем в исходной модели Гросса и Бхаттачарьи.

В 2016 году Александр Марков и Илья Казначеев при помощи компьютерного моделирования попытались выяснить, что будет происходить с популяцией полиплоидных архей, если она попадет в сильно мутагенную среду (то есть в условия, провоцирующие ускоренный мутагенез). Выяснилось, что эволюционно-генетические последствия полиплоидности у прокариот, обитающих в мутагенной среде, шаг за шагом логически приводят к появлению полового размножения (Markov, Kaznacheev, 2016).

Для начала нужно пояснить, что у полиплоидных архей нет митоза. Напомним, что при митозе дочерние клетки получают ровно по одной копии каждой родительской хромосомы. У полиплоидных архей при делении родительской клетки хромосомы распределяются между потомками примерно поровну, поэтому уровень плоидности остается более или менее постоянным, но то, какие именно хромосомы достанутся каждому потомку, по-видимому, никак не регулируется и определяется случайностью (рис. 5.2). Из этого вытекают интересные эволюционные следствия. В частности, копии гена, расположенные на разных хромосомах, не могут поделить между собой функции, как это часто происходит у имеющих митоз эукариот после полиплоидизации (полногеномной дупликации). Ведь если нет митоза, то нет и никакой гарантии, что каждый потомок получит оба специализированных варианта гена.

Разработанная компьютерная модель имитировала эволюцию популяции одноклеточных организмов с различной плоидностью. У каждой клетки предполагалось определенное число исходно одинаковых кольцевых хромосом, каждая хромосома содержала заданное число локусов (генов). Каждый ген характеризовался «качеством работы», которое могло ухудшаться из-за вредных мутаций и улучшаться благодаря полезным. От качества работы генов зависела конкурентоспособность клетки и ее шансы на выживание в каждом поколении. В модели можно было регулировать скорость мутагенеза, соотношение вредных и полезных мутаций, численность популяции, способ распределения хромосом по дочерним клеткам при делении и многое другое. Кроме того, модель позволяла имитировать разные варианты генетического обмена и гомологичной рекомбинации как внутри клетки, так и между клетками. Для простоты все вредные мутации считались рецессивными, и поэтому для вычисления приспособленности полиплоидной клетки использовалась «лучшая» из копий каждого гена. Это справедливо для многих мутаций, снижающих функциональность кодируемого белка. Таким образом, проведенный анализ относится только к тем генам, одной исправной копии которых достаточно для выживания клетки.

Моделирование показало, что при высокой скорости мутагенеза моноплоиды в долгосрочной перспективе более жизнеспособны, чем полиплоиды. Однако поначалу (первые несколько сотен поколений) полиплоиды опережают моноплоидов по приспособленности (рис. 5.3).

рис. 5.2. Схема жизненного цикла полиплоидной (в данном случае — триплоидной) бактерии, не имеющей митоза. Три кольцевые хромосомы, каждая из которых содержит весь геном и может отличаться от двух других отдельными мутациями, реплицируются (удваиваются) в произвольном порядке, пока число хромосом не станет равно шести. После этого клетка делится на две дочерние триплоидные клетки. Поскольку митоз отсутствует, каждой из дочерних клеток достаются три случайно выбранные хромосомы из шести (при митозе каждой дочерней клетке досталось бы ровно по одной копии каждой из трех родительских хромосом).

Причин кратковременного преимущества полиплоидов две. Первая — отложенное проявление в фенотипе вредных рецессивных мутаций. Такая мутация у полиплоидов не дает о себе знать, пока не начнут появляться клетки, несущие ее в каждой копии генома (гомозиготные). Вторая причина — ускоренное накопление редких доминантных полезных мутаций. При фиксированной частоте их возникновения в расчете на локус вероятность приобретения клеткой полезной мутации прямо пропорциональна плоидности.

рис. 5.3. Результат компьютерного моделирования, показывающий эволюционную судьбу популяций одноклеточных организмов с разной плоидностью при высокой скорости мутагенеза. Митоза нет, генетического обмена и рекомбинации тоже нет. По вертикальной оси — средняя приспособленность особей в популяции. Моноплоиды выходят на равновесный уровень приспособленности (при котором порча генофонда за счет мутагенеза уравновешивается его улучшением за счет отбора) и существуют неопределенно долго. Полиплоиды сначала имеют сильное преимущество, но затем быстро деградируют и вымирают. Из статьи Markov, Kaznacheev, 2016.

Причины последующего вырождения полиплоидов — слабый очищающий отбор, быстрое накопление рецессивных вредных мутаций и увеличение сегрегационного груза. Это значит, что в какой-то момент жизнеспособные полиплоидные клетки начинают производить нежизнеспособных потомков. Это неизбежное следствие накопления рецессивных вредных мутаций при отсутствии митоза. Термин «сегрегационный груз» обычно применяют к эукариотам в ситуации, когда гетерозиготы имеют более высокую приспособленность, чем гомозиготы (сегрегация — это разделение, в данном случае имеется в виду распределение родительских хромосом по геномам потомков). При скрещивании двух гетерозигот часть потомков оказываются гомозиготами и имеют пониженную приспособленность — это и называют сегрегационным грузом. В случае полиплоидных архей имеется в виду следующее. Представим себе триплоидную клетку, у которой из трех жизненно необходимых генов A, B и C первый исправен только на первой хромосоме, второй исправен на первой и третьей хромосомах, третий — только на второй. Такая клетка, сама по себе вполне жизнеспособная, может, если ей не повезет, поделиться на двух нежизнеспособных потомков:

У первого потомка нет ни одной работающей копии гена C, а второму не досталось рабочих копий гена A. Заметим, что при наличии митоза этой проблемы не было бы: оба потомка имели бы точно такой же генотип, как у родительской клетки, и жили бы припеваючи.

Поскольку полиплоидность приводит к вырождению не сразу, а сначала дает сильное преимущество, она может стать своеобразной «эволюционной ловушкой» для прокариот в мутагенной среде. Если разрешить модельным микробам иногда при делении распределять хромосомы не поровну, то есть менять свою плоидность, то полиплоиды сначала быстро вытесняют моноплоидов, а затем сами деградируют и вымирают. Это происходит даже в том случае, если подавляющее большинство клеток в исходной популяции — облигатные моноплоиды и лишь немногие клетки способны иногда производить потомков, имеющих на одну хромосому больше. Полиплоидность распространяется как инфекция — и приводит популяцию к гибели. При тех же параметрах популяция, состоящая только из облигатных моноплоидов, может жить неопределенно долго.

Четыре способа защиты полиплоидов от вырождения. Чтобы выжить, такие полиплоиды должны выработать специальные адаптации, замедляющие накопление вредных мутаций. Они могут использовать для этого как минимум четыре разные стратегии. Вот тут-то и начинается самое интересное. Дело в том, что все эти четыре способа защиты полиплоидных прокариот от вырождения подозрительно напоминают те или иные аспекты эукариотического секса.

Первый способ — «циклы плоидности». Можно периодически сбрасывать уровень плоидности, например, делясь чаще, чем происходит репликация хромосом. Если заниматься этим достаточно интенсивно, то в популяции будет постоянно присутствовать (или периодически возникать) заметная доля моноплоидов, у которых все вредные рецессивные мутации проявляются в фенотипе и потому эффективно вычищаются отбором.