Заразные гены, или Горизонтальный поворот: ДНК можно получить не только от родителей
"…Вся живая материя восстает перед нами как одно целое, как один огромный организм, заимствующий свои элементы из резервуара неорганической природы, целесообразно управляющий всеми процессами своего прогрессивного и регрессивного метаморфоза и, наконец, отдающий снова всё заимствованное назад мертвой природе».
С. Н. Виноградский, Лекция перед императорской фамилией 8 декабря 1896 года
Журнал «Nature» публикует не только статьи о состоявшихся достижениях, но и эссе, авторы которых пытаются нащупать дальнейшие пути развития науки. Одно из последних принадлежит Нигелю Гольденфельду и Карлу Вёзе (Nigel Goldenfeld, Carl Woese), американским ученым, которые прочат очередную революцию в биологии. С их точки зрения, новые данные об обмене генетической информацией между представителями разных видов организмов вызовут в биологии смену парадигмы.
Речь идет о горизонтальном переносе генов - передаче наследственной информации от организма к организму вне генеалогической (вертикальной, от предков к потомкам) последовательности. Сам феномен известен давно: так, например, передаются гены устойчивости к антибиотикам от одних болезнетворных микроорганизмов к другим. Много лет на него смотрели как на некую оплошность природы. Энтузиасты надеялись объяснить с его помощью феномен эволюции, прагматики искали в нем естественные
Десятилетиями в микробиологии торжествовал принцип, возведенный в догму Робертом Кохом: изучаемый микроорганизм нужно вырастить в чистой культуре. Зачастую для культивирования используются потомки одной-единственной бактериальной клетки. Выращиваемые в таких условиях микроорганизмы оказываются одинаковыми, что считается критерием их правильного выделения. Увы, такие условия совершенно противоестественны! Естественным является именно функционирование микроорганизмов в сложной среде, информационный обмен с которой включает передачу фрагментов ДНК.
В таких условиях для двух основных групп «микробов» - бактерий и архей (или архебактерий) - вообще трудно говорить о видоспецифичном геноме (наборе наследственной информации). Благодаря горизонтальному переносу этот геном постоянно пополняется новыми фрагментами, а благодаря собственной эволюции теряет многое из приобретенного. Проследив генеалогию какого-нибудь микроорганизма, мы увидим, что через него течет «река» разнородной по происхождению генетической информации. В этом потоке отражается вся биосфера!
Как регистрируют горизонтальный перенос генетической информации? Иногда удается увидеть исходный текст у одного организма и его копию у другого. Чаще, однако, приходится использовать косвенные данные - вычленять участки ДНК, которые отличаются по соотношениям разных пар нуклеотидов или по частоте использования разных триплетов для кодирования одних и тех же аминокислот (эти признаки, в общем, видоспецифичны). Найдя в чьем-то геноме кусок текста, отличающийся от окружения по частоте «букв» (нуклеотидов) или «слов» (триплетов), мы можем предположить, что имеем дело с заимствованием. Со временем хозяин откорректирует текст, приведя его в соответствие с «собственным стилем».
Итак, работа современных генных инженеров, создающих генетически модифицированные организмы и тем самым порождающих волну протестов и «страшилок», оказывается для земной биосферы обыденным делом1.
Что самое интересное, горизонтальный перенос свойствен не только микроорганизмам. Например, проведенные недавно учеными из Беркли исследования геномов риса и проса (злаков, которые разделяет не менее 30 млн. лет независимой эволюции) показало, что между этими видами происходил горизонтальный перенос генетической информации. В этих растениях найдены практически идентичные транспозоны - участки ДНК, способные перемещаться внутри геномов и между ними с места на место! Чаще всего транспозоны переносят информацию внутри вида, но могут и перешагнуть видовой барьер, ведь грань между транспозонами и вирусами весьма условна. С активностью преобразованных транспозонов может быть связана реорганизация генома, которая происходит при видообразовании.
Горячие головы видят в горизонтальном переносе объяснение прогрессивной эволюции. Вот так появляются новые признаки: подует ветер, принесет вирус с куском новой информации, и - глядь! - у организма появилось новое полезное свойство. Так, выдающийся палеоботаник В. А. Красилов считает, что в эпоху происхождения цветковых растений именно вирусы разносили от одних голосеменных к другим «блоки» генетической информации, ответственные за формирование цветка. Увы, в это поверить нелегко. Дело в том, что конструкция любого организма - нелегкий компромисс между модульностью и монолитностью. Любое из населяющих Землю существ - одновременно и целостная система, и конгломерат относительно независимых признаков. Теми из свойств организма, которые связаны со всеми остальными в тугой узел взаимосвязей, невозможно заразиться «от ветру». Именно поэтому роль горизонтального переноса в эволюции высокоорганизованных и высокоинтегрированных групп снижается. Может, когда-нибудь у генных инженеров дойдут руки проверить идею Красилова и они перенесут «гены формирования цветов» в геномы сосен, гинкго или саговников? Скорее всего, инородные фрагменты не смогут встроиться в систему управления развитием растения, для которого характерен иной способ размножения.
Даже когда крупное новшество у высокоинтегрированных животных оказывается связано с каким-то продуктом горизонтального переноса, его не следует считать прямым следствием захвата чужеродной информации. Приведем один пример. У млекопитающих развитие плаценты (органа, обеспечивающего физиологическую связь зародыша и матери) требует, кроме прочего, работы гена Peg10. Этот ген чрезвычайно сходен с одним из широко распространенных транспозонов. Такой факт можно интерпретировать двояко. Наивный человек, убежденный, что всякий признак - проекция определенного гена, сделает вывод, что появление плацентарных млекопитающих (и в конечном счете нас с вами) - следствие «заражения» «геном плаценты». Отсюда недалеко до веры в генетического Демиурга, который управляет эволюцией, время от времени запуская в оборот новые вирусы и очередные прогрессивные качества.
Более зрелой представляется иная трактовка. Новые функции, вырабатываемые в ходе эволюции, могут связываться не только со старыми участками генетического текста, которые выполняют собственные задачи, а с новыми, свободными. Эти новые гены могут как раз оказываться занесенными со стороны кусками. Так опытный
Наоборот, горизонтальный перенос служит не двигателем, а скорее тормозом эволюции! Существа, которые приобрели относительно изолированный геном, морфологически, физиологически, поведенчески эволюционируют намного быстрее, чем плотно вплетенные в единую сеть биосферы микроорганизмы. Эволюция направлена от континуума геномных возможностей к отдельным генотипам. Почему же биологи поняли это так поздно? Тому есть несколько причин. Во-первых, биология должна была достичь технического уровня, позволяющего зарегистрировать сам факт разнообразия путей передачи наследственной информации. Во-вторых, изучение надорганизменных систем психологически затруднительно для исследователей, которые сами являются организмами (см. врезку). В-третьих, распространению нового понимания препятствует трактовка организма как воплощения (реализации) генетической программы.
Метафора наследственной информации как программы настолько въелась в сознание современных биологов и небиологов, что многим из них попросту трудно ее осознать. А что же такое организм, как не воплощение хранящегося в его генах плана? То, что использует эти гены! Наследственная информация - не истинная суть организма, а используемая им библиотека. На протяжении большей части истории жизни эта библиотека была общей для самых разных существ, и лишь потом некоторые из них завели себе изолированные «книжные шкафы».
Когда речь идет о людях или наших ближайших родственниках, высших животных, мы имеем дело с относительно изолированными видами. Каждый из них характеризуется определенной общностью генетической программы, занимая определенное место в экосистемах. Дискретность бактерий и архей носит иную природу. Она скорее связана с дискретностью возможных образов жизни, экологических ниш.
Итак, есть все основания согласиться с авторами эссе в «Nature». Мы стоим на пороге нового понимания жизни вокруг нас. Понятия организма, вида, генома, наследственной информации нуждаются в серьезном уточнении. В то же время не следует считать такой подход совсем уж новым. Это его нащупывал в своем «Космосе» Александр фон Гумбольдт, высказывал в лекции перед царской семьей Сергей Николаевич Виноградский, воплощал в теории Геи Джеймс Лавлок, пытается под именем «природоведческой микробиологии» развивать академик РАН Георгий Александрович Заварзин… Но в любом случае, развитие биологии подарит нам еще немало неожиданностей.
Врезка: Как объять необъятное
Мы сами являемся организмами и окружающие нас другие системы воспринимаем по аналогии с самими собой. Как ни естествен для нас такой подход, он не единственно возможный…
Позапрошлой весной автор этих строк оказался во время нереста остромордых лягушек возле небольшого нерестового водоема - пруда среди заросших дубами холмов. Были сумерки - «час меж собакой и волком». На мелководье собралось несколько тысяч самцов лягушек. В это время они преображаются благодаря ярко-голубой брачной окраске. Песня самца остромордой лягушки похожа на клокотание кипящей крупными пузырями воды. Многоголосый хор нескольких тысяч самцов сливался в невероятный гул. Этот объединенный голос тысяч особей разносился по окрестным холмам, созывая неторопливых, разбухших от икры самок…
Подходя к нерестовому котлу, самка находит себе самца и вместе с ним отметывает свою порцию икры. Те самки, которые прибывают позже других, вынуждены нереститься на сплошном поле из кладок. Часть их икринок оказывается оплодотворена молоками не «своего» самца, а других - тех, что были отцами соседних кладок. Пройдет немного времени - и из икринок выйдут головастики, ферменты вылупления которых превратят в жидкость слизистые икряные оболочки. Даже если за время их развития уровень воды в весеннем пруду упадет, разжиженная икра стечет под уклон к отступившей воде. Ну и пусть десятки тысяч особей (а головастик, как и икринка, - это особи!) обсохнут на окраинах пруда - сотни тысяч попадут в воду, где продолжат развиваться. По мере роста они будут обмениваться разнообразными химическими и физическими сигналами. При необходимости те из головастиков, которые опередят прочих, притормозят рост отстающих, чтобы снизить конкуренцию за недостающие ресурсы. В иных случаях, наоборот, рост разновозрастных и неродственных личинок окажется синхронизирован - популяция сама выберет стратегию своего оптимального развития.
Так вот, сумерки, пение лягушек и усталость сместили восприятие подошедшего к нерестовому котлу человека. Он почувствовал, что стоит не перед определенным числом организмов, а перед сущностью более высокого порядка - популяцией. Потенциально бессмертный живой объект находился на одном из ключевых этапов своего годичного цикла. Производство новых особей оправдает потери существующих, ведь только через их поток и смену и осуществляется бытие популяции. Казалось бы, человек не может быть замечен этой сущностью - он ведь находится на более низком уровне бытия, чем она. Тем не менее, когда завороженный человек приблизился к одному из нерестовых котлов, поющие лягушки испугались, замолчали и торопливо попрятались на дне. Голос популяции изменился: она заметила чужака и отреагировала на его присутствие…
Вы скажете, такой опыт переживания контакта с сущностью более высокого порядка относится к сфере интересов психиатра, а не биолога? Вы, конечно, правы. Но, поверите ли, такой опыт очень помогает представить себе популяцию единым целым, а не совокупностью отдельных особей… А вы лучше попытайтесь вообразить всепланетную общность живых организмов, связанную горизонтальным переносом генетической информации, как популяция лягушек связана совместным размножением! Удобно ли описывать и изучать эту общность, пользуясь традиционными понятиями и расхожими мыслительными штампами? Новым задачам должен соответствовать и новый способ мышления!
1 Заодно, правда, теряет правдоподобие один из аргументов, которым генные инженеры пытаются успокоить страхи растревоженного общества - что «чужие гены» никак не могут расползтись по биосфере. Оказывается, не все так очевидно. Впрочем, вставки в геномы модифицированных организмов тоже являются продуктами развития биосферы, как и «родные» гены культурных растений. Обратно к тексту
Вольбахии: чужие внутри генома
В «КТ» не раз упоминалось имя Крэйга Вентера, американского мультимиллионера, который развлекается то расшифровкой генома человека (а точнее, своего собственного генома), то созданием искусственной жизни из модифицированных микоплазм ("минималистских» бактерий). Недавно сотрудники созданного им Института исследований геномики совершили очередное открытие - не столько технологического, сколько мировоззренческого характера.
В статье авторского коллектива (двадцать имен) говорится об обнаружении генов бактерии вольбахии (Wolbachia) в геномах насекомых и круглых червей. Чтобы оценить открытие, необходимо обсудить особенности этой бактерии - эндосимбионта и внутриклеточного паразита многих видов беспозвоночных. Посмотрим, что было известно о вольбахиях до настоящего времени.
Итак, вольбахия живет в цитоплазме клеток своих хозяев: насекомых, круглых червей, ракообразных и других беспозвоночных. Иногда клетки насекомых просто нашпигованы этими паразитами! Воздействие вольбахии на ее хозяев может быть весьма разнообразным - иногда она не вредит им, но по большей части наносит серьезный ущерб. Например, типичное проявление активности бактерии - гибель яиц ее хозяев, содержащих эмбрионы мужского пола (так называемый андроцид, убийство мужчин). Как ни парадоксально, хозяева при этом не вымирают. Во-первых, репродуктивный потенциал популяции зависит от количества самок, а не самцов. Считанные особи мужского пола могут оплодотворить множество женских особей. Во-вторых, вольбахия может заботиться о воспроизводстве зараженных самок, придавая им способность к партеногенезу - девственному размножению.
Ущемляя самцов, вольбахия вроде бы помогает самкам. Зараженные этой бактерией насекомые могут увеличивать продолжительность своей жизни вдвое и существенно поднимать свою плодовитость! Вроде бы того же уровня жизнеспособности могут достигать и свободные от этих бактерий особи, но в любом случае удаление вольбахии наносит «подсевшим» на нее линиям хозяев ущерб.
Почему вольбахия борется с самцами? Потомство зараженных самок будет зараженным, так как вольбахии смогут перейти в яйцеклетки. А сперматозоиды для этих бактерий слишком малы. Самцы «не нужны» паразиту, вот он их и убивает. Но это не единственная стратегия вольбахии. Для некоторых хозяев (например, мокриц, наземных ракообразных) показано, что бактерии могут сохранять самцов живыми, просто превращая их в самок, несмотря на мужской хромосомный набор. Потомство превращенных самцов будет таким же - самками с генами самцов, образующими партеногенетический клон, зараженный вольбахиями. В эксперименте удавалось превратить таких мокриц в нормальных самцов, обработав их антибиотиком и избавив от внутриклеточных паразитов.
Еще одно из решений, используемых вольбахией для интенсификации своей передачи, - управление плодовитостью зараженных самцов. Их сперматозоиды теряют способность к оплодотворению яйцеклеток незараженных или зараженных иными клонами вольбахии самок (нечего тем размножаться), но отлично взаимодействуют с яйцами, несущими ту же заразу! Короче говоря, основное предположение исследователей этого явления, названного цитоплазматической несовместимостью, сводится к тому, что вольбахия создает в сперматозоидах некий контролируемый дефект, который может быть исправлен работой бактерий, находящихся в яйцеклетке. Какова стратегия! Вспомните фантастические фильмы и книги - смогла ли человеческая фантазия придумать что-то подобное?
Одним из следствий изощренности стратегий вольбахии стало так называемое инфекционное видообразование - разделение вида хозяев этой бактерии на множество генетически изолированных партеногенетических или двуполых линий. В результате независимой эволюции такие линии со временем могут превратиться в самостоятельные виды. Не в этом ли один из секретов видового обилия насекомых и круглых червей - самых многочисленных классов организмов на нашей планете? Не случайно вольбахии населяют клетки примерно 70% видов современных животных! Кстати, в лабораторных условиях вольбахия живет в культуре клеток человека, но в естественных условиях к паразитированию на млекопитающих эти микроорганизмы, к счастью, не перешли.
Изучение отношений этой умопомрачительной бактерии с клетками ее хозяев может быть ключом к решению более широкой проблемы - происхождения эукариотических организмов. Клетки человека, как и клетки всех других животных, растений и грибов, обеспечиваются энергией благодаря работе митохондрий - относительно автономных клеточных органелл. Молекулярные исследования убедительно доказали, что митохондрии являются потомками каких-то альфа-протеобактерий, одной из групп бактерий, процветающих до сих пор. Вольбахия относится именно к этой группе. Митохондрии живут в цитоплазме наших клеток, размножаются делением и даже имеют собственную кольцевую
Вернемся, однако, к открытиям сотрудников Института Вентера. Они обнаружили, что даже после обработки клеток дрозофилы антибиотиком, убивавшим находящихся в ней вольбахий, генетические тесты на наличие бактериальной ДНК в клетках таких дрозофил продолжают срабатывать. Исследования этого феномена показали, что геном вольбахии может попросту включаться в состав генома хозяина. Фрагменты генетической информации этой бактерии найдены в клетках четырех видов насекомых и четырех видов круглых червей; размер фрагментов колебался от почти полного генома (длиной в 1 мегабазу, миллион пар оснований) до относительно небольших кусочков.
То, что вирусы способны встраиваться в геном своих эукариотических хозяев, а потом выходить из него, известно давно. «КТ» уже писала, что такие вирусы могут переносить к новым хозяевам фрагменты генетической информации со своих прежних «мест стоянки». То, что на подобный фокус (по крайней мере, в отношении встраивания своей наследственной информации в хозяйский геном) способны и бактерии, обнаружено впервые. А может ли вольбахия переносить блоки генетической информации хозяев с места на место? Учтите, что «
Вспомните исключительные способности вольбахии - от андроцида и обеспечения цитоплазматической несовместимости до феминизации самцов, индукции партеногенеза и увеличения продолжительности жизни хозяев. Вероятно, биохимические «ключи» этих способностей закодированы в ее геноме. И весь этот набор инструментов для взлома своей видовой стратегии хозяева послушно помещают в собственный наследственный аппарат! Хотя... Быть может, причина чудесных способностей вольбахии кроется не столько в ней самой, сколько в организмах, которые она заражает? Может, бактерия лишь открывает «секретные дверцы», предусмотренные всевышним в конструкции хозяев? Относительно партеногенеза или увеличения продолжительности жизни в это поверить не так уж и трудно. С феминизацией самцов - сложнее, но тоже можно: ведь у мужских зародышей есть потенциальная возможность превратиться в самок. Андроцид? Кто знает... В какой же ситуации виду может быть выгодна такая возможность? Цитоплазматическая несовместимость? Кажется, что реализовать ее без сотрудничества паразита и хозяина было бы невозможно. Но даже если бактерия просто «выбирает» между несколькими вариантами альтернативных стратегий развития хозяина, как она делает этот выбор, как отключает остальные пути?
...Детям помоложе, которые ходят в школу, и детям постарше, которые ходят в вуз, рассказывают, что организм - это результат реализации определенной генетической программы и что эволюция - это процесс изменения генных частот в популяциях. Убедительно, правда?
Ледник как машина времени
"КТ» уже писала (см. #675) о том, что земные микроорганизмы имеют общий генофонд - пул наследственной информации. Вероятно, с течением времени этот всепланетный генофонд постепенно изменяется. «Изобретаются» новые фрагменты информации, а какая-то часть старых безвозвратно теряется. Насколько безвозвратно? Может ли она где-то сохраняться? Таким «холодильником», где предохранится от порчи старая генетическая информация, может быть ледник. В последнее время был опубликован ряд сообщений об оживлении бактерий, содержащихся в ледниках. Но каков предел давности хранения живых организмов или их генетического материала во льду?
Вообще-то, практически любой ледник можно сравнить с ледяной рекой. Под давлением лед становится текучим. В «верховьях» он образуется из снега и изморози, в «низовьях» тает или (что типично для Антарктиды) отваливается кусками-айсбергами в океан. Поэтому практически повсюду на нашей планете возраст самого старого льда не достигает миллиона лет. Например, в Гренландии недавно нашли рекордные участки льда возрастом в 800 тысяч лет, и, кстати, обнаружили в них бактерии. Зато теперь американо-южнокорейская команда ученых сообщила о находке и исследовании образцов льда, которые они считают самыми старыми на планете - им 8 млн. лет. Эти фрагменты собраны в складках трансантарктических гор: геологические ловушки удержали лед из миоценовой эпохи! (Кстати, если рассмотреть схему точек сбора образцов, можно предположить, что ниже по течению ледника лед может быть еще старше.)
На этой иллюстрации из обсуждаемой статьи собрано множество данных: географическое положение района работ и точек взятия образцов (возраст первой пробы - сто тыс. лет, седьмой - около восьми миллионов); фотография местности, а также оптические и флюоресцентные изображения округлых и нитчатых бактерий
Из изученных образцов выделено ДНК тридцати различных форм микроорганизмов. Они оказались близки последовательностям известных бактерий из самых разных групп и даже царств (как эу-, так и архебактерий), но не были идентичны современным формам. Но самое главное - их удалось вернуть к жизни! Зарегистрированы проявления обмена веществ ископаемых бактерий, например, включение в их состав питательной среды, содержащей «меченые» (радиоактивные) атомы. Если пробы из относительно «молодого» льда быстро росли и образовывали новые колонии, то рост бактерий из самых старых проб был крайне медленным и неустойчивым. Это не случайно: за то время, пока они находились в замороженном состоянии, организмы получили огромную дозу облучения. Удалось даже установить время полужизни (то есть разрушения наполовину) бактериальной ДНК в условиях ледника: оно составляет 1,1 млн. лет.
Полученный результат означает, что глобальное потепление, приводя к таянию ледников, вызовет вброс в биосферу микробиологического материала из прошлого. Может ли это неблагоприятно сказаться на нынешнем положении дел?
К счастью, речь не идет, например, о микроорганизмах, вызывающих болезни млекопитающих - таким нечего делать в антарктических и арктических снегах. Возвращаемые в биосферу фрагменты генетических текстов должны быть изрядно повреждены. Если вспомнить, что куски прошлой генетической информации и так хранятся в геномах самых разнообразных организмов, и представить себе, сколько их передается и видоизменяется в ходе мутаций, станет ясно, что существенного воздействия на биосферу возвращение ископаемой информации из тающих ледников оказать не должно. Но все равно интересно…
Д. Шабанов. Заразные гены, или Горизонтальный поворот // Компьютерра, М., 2007. – № 7 (675)
Д. Шабанов. Вольбахии: чужие внутри генома // Компьютерра, М., 2007. – № 34 (702).
Д. Шабанов. Ледник как машина времени // Компьютерра, М., 2007. – № 30 (698). — С. 12