Три статьи о межвидовой рекомбинации
Заразные гены, или Горизонтальный поворот: ДНК можно получить не только от родителей. Проследив генеалогию какого-нибудь микроорганизма, мы увидим, что через него течет «река» разнородной по происхождению генетической информации. В этом потоке отражается вся биосфера! Вольбахии: чужие...
Заразні гени, або Горизонтальний поворот: ДНК можна отримати не тільки від батьків
"…Уся жива матерія постає перед нами як одне ціле, як один величезний організм, що запозичує свої елементи з резервуара неорганічної природи, доцільно керує всіма процесами свого прогресивного й регресивного метаморфозу і, нарешті, віддає знову все запозичене назад мертвій природі».
С. М. Виноградський, Лекція перед імператорською родиною 8 грудня 1896 року
Журнал «Nature» публікує не тільки статті про досягнення, що відбулися, але й есе, автори яких намагаються намацати подальші шляхи розвитку науки. Одне з останніх належить Найджелу Гольденфельду й Карлу Везе (Nigel Goldenfeld, Carl Woese), американським ученим, які пророкують чергову революцію в біології. З їхньої точки зору, нові дані про обмін генетичною інформацією між представниками різних видів організмів викличуть у біології зміну парадигми.
Ідеться про горизонтальне перенесення генів - передачу спадкової інформації від організму до організму поза генеалогічною (вертикальною, від предків до нащадків) послідовністю. Сам феномен відомий давно: так, наприклад, передаються гени стійкості до антибіотиків від одних хвороботворних мікроорганізмів до інших. Багато років на нього дивилися як на якусь оплошність природи. Ентузіасти сподівалися пояснити з його допомогою феномен еволюції, прагматики шукали в ньому природні
Десятиліттями в мікробіології торжествував принцип, зведений у догму Робертом Кохом: досліджуваний мікроорганізм потрібно виростити в чистій культурі. Найчастіше для культивування використовуються нащадки однієї-єдиної бактеріальної клітини. Вирощувані в таких умовах мікроорганізми виявляються однаковими, що вважається критерієм їх правильного виділення. На жаль, такі умови абсолютно протиприродні! Природним є саме функціонування мікроорганізмів у складному середовищі, інформаційний обмін з яким включає передачу фрагментів ДНК.
У таких умовах для двох основних груп «мікробів» - бактерій і архей (або архебактерій) - узагалі важко говорити про видоспецифічний геном (набір спадкової інформації). Завдяки горизонтальному перенесенню цей геном постійно поповнюється новими фрагментами, а завдяки власній еволюції втрачає багато що з набутого. Простеживши генеалогію якогось мікроорганізму, ми побачимо, що через нього тече «річка» різнорідної за походженням генетичної інформації. У цьому потоці відображається вся біосфера!
Як реєструють горизонтальне перенесення генетичної інформації? Іноді вдається побачити вихідний текст в одного організму і його копію в іншого. Частіше, однак, доводиться використовувати непрямі дані - вичленовувати ділянки ДНК, які відрізняються за співвідношеннями різних пар нуклеотидів або за частотою використання різних триплетів для кодування одних і тих же амінокислот (ці ознаки, загалом, видоспецифічні). Знайшовши в чиємусь геномі шматок тексту, що відрізняється від оточення за частотою «букв» (нуклеотидів) або «слів» (триплетів), ми можемо припустити, що маємо справу із запозиченням. З часом хазяїн відкоригує текст, привівши його у відповідність із «власним стилем».
Отже, робота сучасних генних інженерів, що створюють генетично модифіковані організми й тим самим породжують хвилю протестів і «страшилок», виявляється для земної біосфери буденною справою1.
Що найцікавіше, горизонтальне перенесення властиве не тільки мікроорганізмам. Наприклад, проведені нещодавно вченими з Берклі дослідження геномів рису й проса (злаків, які розділяє не менше 30 млн. років незалежної еволюції) показали, що між цими видами відбувалося горизонтальне перенесення генетичної інформації. У цих рослинах знайдені практично ідентичні транспозони - ділянки ДНК, здатні переміщатися всередині геномів і між ними з місця на місце! Найчастіше транспозони переносять інформацію всередині виду, але можуть і переступити видовий бар'єр, адже грань між транспозонами й вірусами вельми умовна. З активністю перетворених транспозонів може бути пов'язана реорганізація геному, яка відбувається при видоутворенні.
Гарячі голови бачать у горизонтальному перенесенні пояснення прогресивної еволюції. Ось так з'являються нові ознаки: подує вітер, принесе вірус зі шматком нової інформації, і - глядь! - в організму з'явилася нова корисна властивість. Так, видатний палеоботанік В. А. Красілов вважає, що в епоху походження квіткових рослин саме віруси розносили від одних голонасінних до інших «блоки» генетичної інформації, відповідальні за формування квітки. На жаль, у це повірити нелегко. Річ у тім, що конструкція будь-якого організму - нелегкий компроміс між модульністю й монолітністю. Будь-яка з істот, що населяють Землю, - одночасно і цілісна система, і конгломерат відносно незалежних ознак. Тими з властивостей організму, які пов'язані з усіма іншими в тугий вузол взаємозв'язків, неможливо заразитися «від вітру». Саме тому роль горизонтального перенесення в еволюції високоорганізованих і високоінтегрованих груп знижується. Може, колись у генних інженерів дійдуть руки перевірити ідею Красілова й вони перенесуть «гени формування квітів» у геноми сосен, гінкго або саговників? Скоріше за все, чужорідні фрагменти не зможуть вбудуватися в систему управління розвитком рослини, для якої характерний інший спосіб розмноження.
Навіть коли велике нововведення у високоінтегрованих тварин виявляється пов'язане з якимось продуктом горизонтального перенесення, його не слід вважати прямим наслідком захоплення чужорідної інформації. Наведемо один приклад. У ссавців розвиток плаценти (органа, що забезпечує фізіологічний зв'язок зародка й матері) потребує, крім іншого, роботи гена Peg10. Цей ген надзвичайно схожий з одним із широко поширених транспозонів. Такий факт можна інтерпретувати двояко. Наївна людина, переконана, що всяка ознака - проекція певного гена, зробить висновок, що поява плацентарних ссавців (і зрештою нас із вами) - наслідок «зараження» «геном плаценти». Звідси недалеко до віри в генетичного Деміурга, який керує еволюцією, час від часу запускаючи в обіг нові віруси й чергові прогресивні якості.
Більш зрілою видається інша трактовка. Нові функції, що виробляються в ході еволюції, можуть зв'язуватися не тільки зі старими ділянками генетичного тексту, які виконують власні завдання, а з новими, вільними. Ці нові гени можуть якраз виявлятися занесеними збоку шматками. Так досвідчений
Навпаки, горизонтальне перенесення служить не двигуном, а скоріше гальмом еволюції! Істоти, які набули відносно ізольований геном, морфологічно, фізіологічно, поведінково еволюціонують набагато швидше, ніж щільно вплетені в єдину мережу біосфери мікроорганізми. Еволюція спрямована від континууму геномних можливостей до окремих генотипів. Чому ж біологи зрозуміли це так пізно? Тому є кілька причин. По-перше, біологія повинна була досягти технічного рівня, що дозволяє зареєструвати сам факт різноманіття шляхів передачі спадкової інформації. По-друге, вивчення надорганізмових систем психологічно складне для дослідників, які самі є організмами (див. урізку). По-третє, поширенню нового розуміння перешкоджає трактування організму як втілення (реалізації) генетичної програми.
Метафора спадкової інформації як програми настільки в'їлася у свідомість сучасних біологів і небіологів, що багатьом з них просто важко її усвідомити. А що ж таке організм, як не втілення плану, що зберігається в його генах? Те, що використовує ці гени! Спадкова інформація - не справжня суть організму, а використовувана ним бібліотека. Протягом більшої частини історії життя ця бібліотека була спільною для найрізноманітніших істот, і лише потім деякі з них завели собі ізольовані «книжкові шафи».
Коли йдеться про людей або наших найближчих родичів, вищих тварин, ми маємо справу з відносно ізольованими видами. Кожен з них характеризується певною спільністю генетичної програми, займаючи певне місце в екосистемах. Дискретність бактерій і архей має іншу природу. Вона скоріше пов'язана з дискретністю можливих способів життя, екологічних ніш.
Отже, є всі підстави погодитися з авторами есе в «Nature». Ми стоїмо на порозі нового розуміння життя навколо нас. Поняття організму, виду, геному, спадкової інформації потребують серйозного уточнення. У той же час не слід вважати такий підхід зовсім уже новим. Це його намацував у своєму «Космосі» Олександр фон Гумбольдт, висловлював у лекції перед царською родиною Сергій Миколайович Виноградський, утілював у теорії Геї Джеймс Лавлок, намагається під ім'ям «природознавчої мікробіології» розвивати академік РАН Георгій Олександрович Заварзін… Але в будь-якому разі, розвиток біології подарує нам ще чимало несподіванок.
Урізка: Як осягнути неосяжне
Ми самі є організмами й навколишні інші системи сприймаємо за аналогією із самими собою. Хоч який природний для нас такий підхід, він не єдино можливий…
Позаминулої весни автор цих рядків опинився під час нересту гостромордих жаб біля невеликої нерестової водойми - ставка серед порослих дубами пагорбів. Були сутінки - «час між собакою й вовком». На мілководді зібралося кілька тисяч самців жаб. У цей час вони перетворюються завдяки яскраво-блакитному шлюбному забарвленню. Пісня самця гостромордої жаби схожа на клекотіння киплячої великими бульбашками води. Багатоголосий хор кількох тисяч самців зливався в неймовірний гул. Цей об'єднаний голос тисяч особин розносився по навколишніх пагорбах, скликаючи неквапливих, розбухлих від ікри самок…
Підходячи до нерестового котла, самка знаходить собі самця й разом з ним відкладає свою порцію ікри. Ті самки, які прибувають пізніше за інших, змушені нереститися на суцільному полі з кладок. Частина їхніх ікринок виявляється запліднена молоками не «свого» самця, а інших - тих, що були батьками сусідніх кладок. Пройде небагато часу - і з ікринок вийдуть пуголовки, ферменти вилуплення яких перетворять на рідину слизові ікряні оболонки. Навіть якщо за час їх розвитку рівень води у весняному ставку впаде, розріджена ікра стече під уклін до відступившої води. Ну й нехай десятки тисяч особин (а пуголовок, як і ікринка, - це особини!) обсохнуть на околицях ставка - сотні тисяч потраплять у воду, де продовжать розвиватися. У міру зростання вони будуть обмінюватися різноманітними хімічними й фізичними сигналами. За потреби ті з пуголовків, які випередять інших, пригальмують зростання відстаючих, щоб знизити конкуренцію за ресурси, яких бракує. У інших випадках, навпаки, зростання різновікових і неспоріднених личинок виявиться синхронізоване - популяція сама вибере стратегію свого оптимального розвитку.
Так ось, сутінки, спів жаб і втома змістили сприйняття людини, що підійшла до нерестового котла. Він відчув, що стоїть не перед певним числом організмів, а перед сутністю вищого порядку - популяцією. Потенційно безсмертний живий об'єкт перебував на одному з ключових етапів свого річного циклу. Виробництво нових особин виправдає втрати наявних, адже тільки через їх потік і зміну й здійснюється буття популяції. Здавалося б, людина не може бути помічена цією сутністю - вона ж перебуває на нижчому рівні буття, ніж вона. Проте, коли зачарована людина наблизилася до одного з нерестових котлів, співаючі жаби злякалися, замовкли й квапливо поховалися на дні. Голос популяції змінився: вона помітила чужинця й відреагувала на його присутність…
Ви скажете, такий досвід переживання контакту із сутністю вищого порядку належить до сфери інтересів психіатра, а не біолога? Ви, звичайно, маєте рацію. Але, чи повірите, такий досвід дуже допомагає уявити собі популяцію єдиним цілим, а не сукупністю окремих особин… А ви краще спробуйте уявити всепланетну спільність живих організмів, пов'язану горизонтальним перенесенням генетичної інформації, як популяція жаб пов'язана спільним розмноженням! Чи зручно описувати й вивчати цю спільність, користуючись традиційними поняттями й розхожими мисленнєвими штампами? Новим завданням повинен відповідати й новий спосіб мислення!
1 Заодно, щоправда, втрачає правдоподібність один з аргументів, яким генні інженери намагаються заспокоїти страхи стривоженого суспільства - що «чужі гени» ніяк не можуть розповзтися по біосфері. Виявляється, не все так очевидно. Утім, вставки в геноми модифікованих організмів теж є продуктами розвитку біосфери, як і «рідні» гени культурних рослин. Назад до тексту
Вольбахії: чужі всередині геному
У «КТ» не раз згадувалося ім'я Крейга Вентера, американського мультимільйонера, який розважається то розшифруванням геному людини (а точніше, свого власного геному), то створенням штучного життя з модифікованих мікоплазм («мінімалістських» бактерій). Нещодавно співробітники створеного ним Інституту дослідження геноміки здійснили чергове відкриття - не стільки технологічного, скільки світоглядного характеру.
У статті авторського колективу (двадцять імен) ідеться про виявлення генів бактерії вольбахії (Wolbachia) у геномах комах і круглих червів. Щоб оцінити відкриття, необхідно обговорити особливості цієї бактерії - ендосимбіонта й внутрішньоклітинного паразита багатьох видів безхребетних. Подивимося, що було відомо про вольбахій до цього часу.
Отже, вольбахія живе в цитоплазмі клітин своїх хазяїв: комах, круглих червів, ракоподібних та інших безхребетних. Іноді клітини комах просто нашпиговані цими паразитами! Вплив вольбахії на її хазяїв може бути вельми різноманітним - іноді вона не шкодить їм, але здебільшого завдає серйозної шкоди. Наприклад, типовий прояв активності бактерії - загибель яєць її хазяїв, що містять ембріони чоловічої статі (так званий андроцид, убивство чоловіків). Хоч як парадоксально, хазяї при цьому не вимирають. По-перше, репродуктивний потенціал популяції залежить від кількості самок, а не самців. Лічені особини чоловічої статі можуть запліднити безліч жіночих особин. По-друге, вольбахія може піклуватися про відтворення заражених самок, надаючи їм здатність до партеногенезу - дівочого розмноження.
Ущемляючи самців, вольбахія начебто допомагає самкам. Заражені цією бактерією комахи можуть збільшувати тривалість свого життя вдвічі й суттєво піднімати свою плодючість! Начебто того ж рівня життєздатності можуть досягати й вільні від цих бактерій особини, але в будь-якому разі видалення вольбахії завдає «підсілим» на неї лініям хазяїв шкоди.
Чому вольбахія бореться із самцями? Потомство заражених самок буде зараженим, оскільки вольбахії зможуть перейти в яйцеклітини. А сперматозоїди для цих бактерій занадто малі. Самці «не потрібні» паразиту, ось він їх і вбиває. Але це не єдина стратегія вольбахії. Для деяких хазяїв (наприклад, мокриць, наземних ракоподібних) показано, що бактерії можуть зберігати самців живими, просто перетворюючи їх на самок, незважаючи на чоловічий хромосомний набір. Потомство перетворених самців буде таким же - самками з генами самців, що утворюють партеногенетичний клон, заражений вольбахіями. В експерименті вдавалося перетворити таких мокриць на нормальних самців, обробивши їх антибіотиком і позбавивши від внутрішньоклітинних паразитів.
Ще одне з рішень, використовуваних вольбахією для інтенсифікації своєї передачі, - управління плодючістю заражених самців. Їхні сперматозоїди втрачають здатність до запліднення яйцеклітин незаражених або заражених іншими клонами вольбахії самок (нема чого тим розмножуватися), але чудово взаємодіють з яйцями, що несуть ту ж заразу! Коротше кажучи, основне припущення дослідників цього явища, названого цитоплазматичною несумісністю, зводиться до того, що вольбахія створює в сперматозоїдах якийсь контрольований дефект, який може бути виправлений роботою бактерій, що перебувають у яйцеклітині. Яка стратегія! Згадайте фантастичні фільми й книги - чи змогла людська фантазія придумати щось подібне?
Одним з наслідків витонченості стратегій вольбахії стало так зване інфекційне видоутворення - розділення виду хазяїв цієї бактерії на безліч генетично ізольованих партеногенетичних або двостатевих ліній. У результаті незалежної еволюції такі лінії з часом можуть перетворитися на самостійні види. Чи не в цьому один із секретів видового достатку комах і круглих червів - найчисленніших класів організмів на нашій планеті? Не випадково вольбахії населяють клітини приблизно 70% видів сучасних тварин! До речі, у лабораторних умовах вольбахія живе в культурі клітин людини, але в природних умовах до паразитування на ссавцях ці мікроорганізми, на щастя, не перейшли.
Вивчення відносин цієї приголомшливої бактерії з клітинами її хазяїв може бути ключем до розв'язання ширшої проблеми - походження еукаріотичних організмів. Клітини людини, як і клітини всіх інших тварин, рослин і грибів, забезпечуються енергією завдяки роботі мітохондрій - відносно автономних клітинних органел. Молекулярні дослідження переконливо довели, що мітохондрії є нащадками якихось альфа-протеобактерій, однієї з груп бактерій, що процвітають досі. Вольбахія належить саме до цієї групи. Мітохондрії живуть у цитоплазмі наших клітин, розмножуються поділом і навіть мають власну кільцеву
Повернемося, однак, до відкриттів співробітників Інституту Вентера. Вони виявили, що навіть після обробки клітин дрозофіли антибіотиком, що вбивав вольбахій, які перебували в ній, генетичні тести на наявність бактеріальної ДНК у клітинах таких дрозофіл продовжують спрацьовувати. Дослідження цього феномену показали, що геном вольбахії може просто включатися до складу геному хазяїна. Фрагменти генетичної інформації цієї бактерії знайдені в клітинах чотирьох видів комах і чотирьох видів круглих червів; розмір фрагментів коливався від майже повного геному (довжиною в 1 мегабазу, мільйон пар основ) до відносно невеликих шматочків.
Те, що віруси здатні вбудовуватися в геном своїх еукаріотичних хазяїв, а потім виходити з нього, відомо давно. «КТ» уже писала, що такі віруси можуть переносити до нових хазяїв фрагменти генетичної інформації зі своїх колишніх «місць стоянки». Те, що на подібний фокус (принаймні, щодо вбудовування своєї спадкової інформації в хазяйський геном) здатні й бактерії, виявлено вперше. А чи може вольбахія переносити блоки генетичної інформації хазяїв з місця на місце? Урахуйте, що «
Згадайте виняткові здібності вольбахії - від андроциду й забезпечення цитоплазматичної несумісності до фемінізації самців, індукції партеногенезу й збільшення тривалості життя хазяїв. Імовірно, біохімічні «ключі» цих здібностей закодовані в її геномі. І весь цей набір інструментів для злому своєї видової стратегії хазяї слухняно поміщають у власний спадковий апарат! Хоча... Можливо, причина чудесних здібностей вольбахії криється не стільки в ній самій, скільки в організмах, які вона заражає? Може, бактерія лише відкриває «секретні дверцята», передбачені всевишнім у конструкції хазяїв? Щодо партеногенезу або збільшення тривалості життя в це повірити не так уже й важко. З фемінізацією самців - складніше, але теж можна: адже в чоловічих зародків є потенційна можливість перетворитися на самок. Андроцид? Хто знає... У якій же ситуації виду може бути вигідна така можливість? Цитоплазматична несумісність? Здається, що реалізувати її без співпраці паразита й хазяїна було б неможливо. Але навіть якщо бактерія просто «вибирає» між кількома варіантами альтернативних стратегій розвитку хазяїна, як вона робить цей вибір, як відключає інші шляхи?
...Дітям молодшим, які ходять до школи, і дітям старшим, які ходять до вишу, розповідають, що організм - це результат реалізації певної генетичної програми і що еволюція - це процес зміни генних частот у популяціях. Переконливо, чи не так?
Льодовик як машина часу
"КТ» уже писала (див. #675) про те, що земні мікроорганізми мають спільний генофонд - пул спадкової інформації. Імовірно, з плином часу цей всепланетний генофонд поступово змінюється. «Винаходяться» нові фрагменти інформації, а якась частина старих безповоротно втрачається. Наскільки безповоротно? Чи може вона десь зберігатися? Таким «холодильником», де вбережеться від псування стара генетична інформація, може бути льодовик. Останнім часом був опублікований ряд повідомлень про оживлення бактерій, що містяться в льодовиках. Але яка межа давності зберігання живих організмів або їх генетичного матеріалу в льоду?
Узагалі-то, практично будь-який льодовик можна порівняти з крижаною річкою. Під тиском лід стає текучим. У «верхів'ях» він утворюється зі снігу й паморозі, у «низов'ях» тане або (що типово для Антарктиди) відвалюється шматками-айсбергами в океан. Тому практично всюди на нашій планеті вік найстарішого льоду не досягає мільйона років. Наприклад, у Гренландії нещодавно знайшли рекордні ділянки льоду віком у 800 тисяч років, і, до речі, виявили в них бактерії. Зате тепер американо-південнокорейська команда вчених повідомила про знахідку й дослідження зразків льоду, які вони вважають найстарішими на планеті - їм 8 млн. років. Ці фрагменти зібрані у складках трансантарктичних гір: геологічні пастки утримали лід з міоценової епохи! (До речі, якщо розглянути схему точок збору зразків, можна припустити, що нижче за течією льодовика лід може бути ще старший.)
На цій ілюстрації з обговорюваної статті зібрано безліч даних: географічне положення району робіт і точок взяття зразків (вік першої проби - сто тис. років, сьомої - близько восьми мільйонів); фотографія місцевості, а також оптичні й флюоресцентні зображення округлих і нитчастих бактерій
Із вивчених зразків виділено ДНК тридцяти різних форм мікроорганізмів. Вони виявилися близькі до послідовностей відомих бактерій з найрізноманітніших груп і навіть царств (як еу-, так і архебактерій), але не були ідентичні сучасним формам. Але найголовніше - їх удалося повернути до життя! Зареєстровані прояви обміну речовин викопних бактерій, наприклад, включення до їх складу поживного середовища, що містить «мічені» (радіоактивні) атоми. Якщо проби з відносно «молодого» льоду швидко росли й утворювали нові колонії, то зростання бактерій з найстаріших проб було вкрай повільним і нестійким. Це не випадково: за той час, поки вони перебували в замороженому стані, організми отримали величезну дозу опромінення. Удалося навіть установити час напівжиття (тобто руйнування наполовину) бактеріальної ДНК в умовах льодовика: він становить 1,1 млн. років.
Отриманий результат означає, що глобальне потепління, приводячи до танення льодовиків, викличе вкидання в біосферу мікробіологічного матеріалу з минулого. Чи може це несприятливо позначитися на нинішньому стані справ?
На щастя, ідеться не, наприклад, про мікроорганізми, що викликають хвороби ссавців - таким нема чого робити в антарктичних і арктичних снігах. Повертані в біосферу фрагменти генетичних текстів повинні бути неабияк пошкоджені. Якщо згадати, що шматки минулої генетичної інформації й так зберігаються в геномах найрізноманітніших організмів, і уявити собі, скільки їх передається й видозмінюється в ході мутацій, стане ясно, що істотного впливу на біосферу повернення викопної інформації з тающих льодовиків справити не повинно. Але все одно цікаво…
Д. Шабанов. Заразні гени, або Горизонтальний поворот // Комп'ютерра, М., 2007. – № 7 (675)
Д. Шабанов. Вольбахії: чужі всередині геному // Комп'ютерра, М., 2007. – № 34 (702).
Д. Шабанов. Льодовик як машина часу // Комп'ютерра, М., 2007. – № 30 (698). — С. 12