Сафонов А.И. Эволюционное учение. Классики и современники

генно-инженерных экспериментов удалось показать, что мутация spoT оказывается полезной

всочетании с мутацией topA, характерной для штаммов прапобедителей, но не приносит пользы в сочетании с мутацией topA1, характерной для пралузеров.

Получается, что тот эволюционный путь, по которому пошли пралузеры, хотя и обеспечил им преимущество на ранних этапах эксперимента, оказался менее перспективным,

вчастности потому, что лишил бактерий возможности повысить свою приспособленность за счет приобретения мутаций в гене spoT.

Таким образом, в долгосрочной перспективе вероятность закрепления той или иной мутации зависит не только от ее непосредственного влияния на приспособленность «здесь и сейчас», но и от ее воздействия на эволюционные перспективы, т. е. на вероятность того, что другие мутации, которые могут возникнуть в будущем, окажутся полезными. В результате линии, поначалу вырвавшиеся вперед в эволюционной гонке, в конечном счете могут оказаться в проигрыше. Разумеется, для этого необходимо, чтобы отстающие, но перспективные линии успели приобрести дополнительные полезные мутации раньше, чем их полностью вытеснят более успешные конкуренты.

Эти удивительные результаты перекликаются с палеонтологическими фактами, которые подметил еще в XIX веке русский зоолог В. О. Ковалевский (1842–1883), изучавший эволюцию копытных. Палеонтологическая летопись демонстрирует немало примеров того, как из двух конкурирующих групп, возникших примерно в одно и то же время, сначала добивается успеха одна, но затем ее вытесняет другая. При этом адаптивная эволюция в обеих группах идет в одном направлении (у копытных речь шла о преобразованиях стопы и кисти). В первой успешной группе ключевые приспособления развиваются быстрее, но являются более поверхностными, несбалансированными. Во второй группе, которая поначалу занимает подчиненное положение, аналогичные адаптации развиваются медленнее, но в итоге оказываются более комплексными, слаженными и глубокими (Расницын, 1986 ). Эту закономерность традиционно объясняли на основе общих представлений о «компромиссном» характере эволюции. Любая адаптация покупается ценой ограничения возможностей для развития других адаптаций. Быстро приобретенные «косметические» адаптации могут перекрыть пути дальнейшего совершенствования, так что весь путь в итоге оказывается тупиковым. Теперь мы видим, как эта закономерность работает на молекулярно-генетическом уровне.

Новое устройство враз не прилаживается

По прошествии 31 тыс. поколений в одной из 12 подопытных популяций (ее условное обозначение – Ara-3) произошло что-то странное. Напомним, что бактерий ежедневно пересаживают в колбы с новой питательной средой. Сначала бактерии быстро размножаются, но потом глюкоза в колбе заканчивается, и рост бактерий прекращается – до следующей пересадки. Так было во всех подопытных популяциях, включая Ara-3. Но в один прекрасный день ученые заметили, что численность бактерий этой популяции продолжает расти и после того, как вся глюкоза в колбе уже съедена. К концу суточного цикла численность Ara-3 оказывалась намного выше, чем у остальных популяций. Очевидно, микробы научились использовать в пищу какое-то вещество, входящее в состав среды, но несъедобное для обычных кишечных палочек.

Вскоре Ленски и его коллеги выяснили, что бактерии из популяции Ara-3 приобрели способность питаться цитратом (лимонной кислотой). Цитрат добавляется в среду в качестве вспомогательного вещества. Нормальные бактерии E. coli способны усваивать цитрат только в анаэробных (бескислородных) условиях. Неспособность питаться цитратом в присутствии кислорода – один из определительных признаков данного вида бактерий. Таким образом, на глазах изумленных ученых в популяции Ara-3 появилось настоящее эволюционное новшество – новый полезный признак. Этот признак (авторы обозначили его Cit+) изменил взаимоотношения организма со средой и позволил бактериям-мутантам увеличить свою численность.

171

Ученые отсеквенировали геномы 29 бактерий из популяции Ara-3, замороженных в разное время. По этим данным было построено их эволюционное дерево (оно показано на рисунке). Оказалось, что популяция оставалась генетически разнообразной на протяжении почти всей своей истории. В ней из одного предкового клона получилось несколько генетически различающихся линий (клад), но они не спешили вытеснять друг друга. Скорее всего, это значит, что большинство различий между кладами были нейтральными, т. е. не влияли на приспособленность.

Удалось выявить конкретное генетическое изменение, которое дало бактериям возможность питаться цитратом. Микробы Cit− превратились в Cit+ благодаря дупликации (удвоению) фрагмента хромосомы, содержащего ген citT. Этот ген кодирует белок, транспортирующий цитрат из внешней среды в цитоплазму бактериальной клетки. В норме у E. coli ген citT активен только в анаэробных условиях. Однако в результате дупликации одна из двух копий citT попала под управление промотора (регуляторного участка) другого, соседнего гена (rnk). При помощи генно-инженерных экспериментов авторы показали, что промотор гена rnk обеспечивает работу контролируемого им гена в аэробных условиях.

Разобравшись с природой ключевой мутации, ученые задались следующим вопросом: было ли появление фенотипа Cit+ в кладе 3 полностью случайным? Могло ли это событие с тем же успехом произойти в другой кладе или в другой популяции, или оно было подготовлено предшествующей эволюцией именно этой клады? В поисках ответа Ленски и его коллеги провели повторные эксперименты с размороженными представителями клад 1, 2 и 3, а также с исходным (предковым) штаммом.

Выяснилось, что у предкового штамма вероятность появления фенотипа Cit+ пренебрежимо мала. Представители клады 1 выработали этот фенотип в двух повторных экспериментах из 55. Это уже лучше! Микробы из клады 2 научились питаться цитратом в двух случаях из 97. Наконец, бактерии из клады 3 приобрели эту способность в восьми случаях из 37 повторных опытов. Еще лучше! Похоже на то, что вероятность приобретения нового полезного свойства росла постепенно. Дополнительные эксперименты подтвердили этот вывод (рис. 22).

Приобретение фенотипа Cit+ во всех случаях было связано с тем, что ген citT начинал экспрессироваться в аэробных условиях. Но достигался этот результат разными путями. В некоторых повторных опытах, как и в основном долгосрочном эксперименте, произошли

тандемные дупликации55, благодаря которым citT оказался под управлением аэробного промотора.

Но границы дуплицированных участков в разных случаях были разными, а промотор, взявший на себя управление геном citT , не всегда был промотором гена rnk : в одном случае это был промотор другого гена (rna ). В нескольких повторных опытах тот же эффект был достигнут без дупликации – благодаря встраиванию мобильного генетического элемента IS3 в кодирующую часть гена, расположенного по соседству с citT . В этом мобильном элементе как раз имеется подходящий промотор, взявший на себя управление геном citT .

55 Тандемными называют такие дупликации участков ДНК, в результате которых обе копии удвоенного участка оказываются расположенными вплотную друг к другу.

172

цитрате. Микробы из клад 2 и 1 справлялись хуже: им требовалось больше времени на переключение, и росли на цитрате они медленнее. Предковый штамм использовал цитрат еще менее эффективно. Для того чтобы после исчерпания запасов глюкозы переключиться на питание цитратом, ему требовалось около двух суток. Между прочим, это означает, что в условиях долгосрочного эксперимента он не получил бы никакого преимущества от мутации, которая создала фенотип Cit+ в кладе 3: никто не дал бы ему двух суток на раздумья, ведь бактерий пересаживают в новую среду с глюкозой каждые сутки.

Эти результаты, как и повторные эволюционные эксперименты, показывают, что «потенцирование» проходило как минимум в два этапа. Вероятность формирования фенотипа Cit+ выросла при переходе от предкового штамма к кладам 1 и 2 и снова увеличилась при формировании клады 3.

Интересно, что первые бактерии, у которых после поколения № 31 000 был зарегистрирован фенотип Cit+, использовали цитрат еще очень неэффективно, хотя у них уже были и «потенцирующие» мутации, и тандемная дупликация. Новая функция поначалу была несовершенна и давала лишь едва заметное преимущество. В ходе дальнейшей эволюции эффективность использования цитрата микробами Cit+ быстро росла. Исследователям удалось расшифровать один из механизмов усовершенствования: фрагмент ДНК с активированным геном citT просто-напросто подвергся еще нескольким дупликациям. Это, по-видимому, ускорило поглощение цитрата из внешней среды.

Таким образом, формирование эволюционного новшества происходило в три этапа. На первом этапе (потенцирование) закрепились мутации, повысившие вероятность появления признака в будущем. На втором этапе (актуализация) появилась и была поддержана отбором ключевая мутация, превратившая микробов Cit− в Cit+. Правда, поначалу новый признак был слабо выражен и почти не приносил пользы. На заключительном, третьем этапе (усовершенствование) признак постепенно оптимизировался. В результате его полезность многократно выросла.

Усовершенствование – процесс, который может продолжаться долго. Однако события, происходившие в популяции Ara-3 после поколения № 35 000, трудно анализировать. В это время среди микробов Cit+ (как и во многих других подопытных линиях) распространилась мутация, повышающая скорость мутагенеза в 20 раз, – уже знакомый нам аллель-мутатор. Найти среди сотен новых мутаций те, что связаны с усовершенствованием цитратного питания, – задача пока слишком трудная. Впрочем, замороженные бактерии никуда не спешат и будут спокойно ждать появления новых методов и приборов (Blount et al., 2012).

Разные пути, ведущие к одной цели

Долгосрочный эксперимент Ленски и его коллег – далеко не единственное исследование такого рода. В последние годы многие микробиологи заинтересовались изучением «эволюции в пробирке». Задачи при этом решаются самые разные. Вот, например, такая: сколько разных путей ведет к одной и той же эволюционной «цели»? Если взять много одинаковых популяций и заставить их приспосабливаться к одинаковым условиям, приспособятся ли они за счет одних и тех же мутаций или разных? Какое-то представление об этом дает и эксперимент Ленски, но там параллельно эволюционируют только 12 популяций – маловато для надежной статистики.

Сотрудники факультета экологии и эволюционной биологии Калифорнийского университета в Ирвайне (США) заставили приспосабливаться к высокой температуре сразу 115 линий кишечной палочки (Tenaillon et al., 2012). Все подопытные популяции были выведены из одного клона, т. е. изначально имели одинаковый геном. Предки подопытных бактерий в течение 2 тыс. поколений жили в стандартной среде при оптимальной для них температуре 37 °C.

175

Входе эксперимента микробам пришлось приспосабливаться к температуре 42,2 °C. Это максимум, при котором исходная популяция не погибает полностью. 115 подопытных линий жили при такой температуре в течение 2 тыс. поколений, после чего ученые взяли из каждой линии по одному микробу и отсеквенировали его геном.

Все линии неплохо приспособились к перегреву: скорость их размножения при высокой температуре к концу эксперимента была в среднем в 1,94 раза выше, чем у предкового штамма. Лучше всех приспособилась линия, в которой произошло угадайте что. Правильно, зафиксировался аллель-мутатор: вышел из строя ген mutL, участвующий в исправлении ошибок в ДНК. В этой линии закрепилось 73 мутации – гораздо больше, чем у всех остальных линий, поэтому ее пришлось исключить из сравнительного анализа.

Востальных 114 линиях произошло в среднем по 11 генетических изменений, в том числе 6,9 однонуклеотидной замены, 2,3 короткой вставки и делеции (выпадений нуклеотидов), 1,0 крупной делеции, 0,6 вставки мобильных генетических элементов и 0,2 крупной дупликации (удвоения участков ДНК).

Как мы помним, о доле полезных мутаций, поддержанных отбором, можно судить по соотношению значимых и синонимичных замен. У теплолюбивых кишечных палочек это соотношение сдвинулось в пользу значимых замен. Авторы рассчитали, что примерно 80 % значимых замен были полезными.

Но полезные приобретения оказалась весьма разнообразными у 114 линий. Каждая линия приобрела свой уникальный набор мутаций. Так, из 634 значимых однонуклеотидных замен лишь 157 (25 %) обнаружились более чем в одной линии подопытных бактерий. Большинство замен оказались уникальными, т. е. закрепились лишь у одной из 114 линий. При этом несколько замен явно пользовались повышенной «популярностью». Например, значимая мутация в кодоне 966 гена rpoB обнаружилась у 18 линий, мутация в кодоне 15 гена rho – у 17 линий. Белки, кодируемые обоими генами, играют ключевую роль в транскрипции.

Повторяемость коротких вставок и делеций, дупликаций и вставок мобильных элементов оказалась выше, чем у точечных мутаций. Наибольшая повторяемость характерна для крупных делеций: 82 из 119 таких делеций (69 %) зарегистрированы более чем в одной

линии. Но это следствие организации геномов56.

Тот факт, что наборы мутаций у 114 линий оказались разными, говорит о множественности путей адаптации к высокой температуре. Путей много – но они похожи друг на друга. Это видно из того, что сходство между линиями по набору генов, затронутых мутациями, оказалось намного выше, чем по самим мутациям. Если взять наугад любые две из 114 линий, то одинаковых мутаций у них окажется в среднем лишь 2,6 %, а одинаковых генов, в которых закрепились мутации, – 20,2 %. Если объединить гены в функциональные блоки (например, рассматривать все гены, отвечающие за транскрипцию), то сходство линий окажется еще выше: 31,5 %.

Таким образом, повторяемость (воспроизводимость) путей адаптации бактерий к перегреву оказалась низкой на уровне конкретных мутаций, но довольно высокой на уровне генов и функциональных блоков. Невозможно предсказать, какие именно мутации обеспечат адаптацию в каждом конкретном случае, однако набор генов, которые будут затронуты этими мутациями, более ограничен. Исследование показало, что одна и та же эволюционная «цель» – в данном случае приспособление к высокой температуре – может быть достигнута многими способами.

На уровне конкретных мутаций эволюция оказалась малопредсказуемой. На уровне генов и генных комплексов предсказуемость и повторяемость эволюции оказались выше.

56 Выпавшие фрагменты ДНК часто были заключены между копиями мобильных элементов. Дело в том, что вероятность делеции участка ДНК повышается, если он заключен между двумя одинаковыми последовательностями. Поэтому распределение повторяющихся последовательностей (в том числе мобильных элементов) по геному влияет на его эволюционную судьбу.

176

–––––

Репертуар эволюционных «решений» ограничен

Когда Н. И. Вавилов обнародовал «закон гомологических рядов в наследственной изменчивости», утверждающий, что у близких видов наблюдаются сходные ряды изменчивости, то немедленно был обвинен в антидарвиновских настроениях. Действительно, если мутации случайны, то и эволюционные траектории, казалось бы, тоже должны быть случайными. Их направление должно бы зависеть только от внешних условий, к которым вид обязан как следует приспособиться. Сходные адаптивные (полезные) признаки можно объяснить сходной направленностью отбора, тогда как у нейтральных признаков – тех, что не влияют на приспособленность, – появление сходства маловероятно. Параллельные признаки, которыми оперировал Вавилов (а он работал с признаками зерновых культурных растений), нейтральны, и в этом случае сходству репертуара изменчивости вроде бы неоткуда взяться. Тем не менее гомологические ряды существуют (Н. И. Вавилов был строг с фактами), так что довольно долго о законе гомологических рядов предпочитали не рассуждать.

Но постепенно стало ясно, что фактов параллельной эволюции как на микро-, так и на макроуровне такое колоссальное изобилие, что ими нужно и должно заниматься всерьез. Генетики взялись за расшифровку путей формирования параллелизмов.

Наиболее значимые выводы о генетических механизмах параллельной эволюции основаны на анализе отдельных признаков, как адаптивных, так и нейтральных. К первым относится, например, развитие устойчивости к антибиотикам у бактерий или цветового зрения у цихлид (см. главу б). Ко вторым, нейтральным признакам можно отнести независимое появление темных пятнышек на крыльях у разных видов дрозофил – чем не гомологические ряды Н.И. Вавилова (см. главу 5)!

Вот важнейшие выводы, которые генетики сделали на основе детально изученных примеров:

•эволюция отчасти предсказуема, хотя в ее основе лежат случайные мутации;

•число возможных эволюционных траектории ограниченно, так как ограниченно число жизнеспособных комбинации мутационных изменении (из-за эпистаза, см. главу 1);

•сходные приспособления могут появляться в результате параллельного образования одинаковых мутаций в том или ином гене;

•сходные приспособления могут появляться в результате разных наборов мутаций в одном и том же комплексе генов;

•параллельные приспособления появляются чаще в результате изменений в регуляторных, а не белок-кодирующих участках генов.

Рассмотрим один из недавно «расшифрованных» случаев параллельной эволюции. Этот пример показывает, как легко появляются сходные признаки у разных видов (McGrath et al., 2011). Генетики из университетов Юты, Флориды и Рокфеллеровского университета работали с уже знакомыми нам объектами – нематодой Caenorhabditis elegans и с ее родственницей C. briggsae. В их распоряжении были разные линии C. elegans , которые хотя и произошли от одной исходной гермафродитной особи, но велись изолированно в последние 50 лет. Этот материал позволил проследить образование параллельных мутаций как у особей со сходным геномом, так и у разных видов.

Ученых интересовал конкретный признак – формирование так называемой дауэровской, или «спящей», личинки. Спящая личинка (рис. 23) у ценорабдитис образуется при стрессовых температурах, недостатке пищи или перенаселении. В таком состоянии нематода благополучно переживает худшие времена, а при улучшении условий начинает развитие с прерванной точки, т. е. с третьей линьки.

Вприроде перенаселение грозит популяции голодом и потому воспринимается как сигнал к формированию спящей личинки. В лабораторных условиях при перенаселении (а как же иначе может быть в культурах?) дауэровская личинка все

177

равно формируется, хотя пища всегда в изобилии. При этом подавляющая часть популяции перестает размножаться – «в строю» остаются лишь те особи, которые почему-либо не среагировали на сигнал перенаселения. Ясно, что именно они и получат преимущество в изобильной лабораторной среде. Именно поэтому в лабораторных культурах нематоды довольно быстро перестают реагировать на сигнал перенаселения и формировать спящую личинку. Авторы изучили три лабораторные популяции, параллельно утратившие спящую стадию: две популяции C. elegans и одну C. briggsae . Естественно, ученые хотели выяснить, за счет каких мутаций в трех разных линиях появилось это адаптивное новшество.

Дауэровская личинка начинает формироваться при повышении концентрации особого феромона (чем больше животных в культуре, тем выше его концентрация). Этот феромон вызывает формирование спящей личинки у исходной лабораторной линии C. elegans, зато не действует на две эволюционировавшие линии нематоды.

Из сравнения геномных последовательностей исходной популяции и двух других выяснилось, что феромон перестал работать из-за выпадения (делеции) генов двух рецепторов. Ясно, что если исчезают рецепторы к определенному веществу, то исчезает и реакция на это вещество, в данном случае – не формируется дауэровская личинка. В двух лабораторных линиях делеция прошлась по разным нуклеотидам, но в обоих случаях захватила оба гена. Таким образом, в двух популяциях независимо вышли из строя одни и те же гены, играющие роль посредников между феромоном и формированием дауэровской личинки.

У C. briggsae нашелся ген, родственный двум найденным посредникам. И, как легко догадаться, в лабораторной популяции, отказавшейся от спящей личинки, именно этот ген оказался вырезан делецией. Сколько ни добавляли феромона (того самого, с которым работали на C. elegans), все личинки C. briggsae развивались своим чередом, не впадая в спячку. Зато на исходную (дикую) популяцию C. briggsae феромон действовал отлично.

Таким образом, в условиях, когда спящая личинка оказывается лишней или даже вредной, популяция быстро от нее избавляется. При этом отбор поддерживает мутации в сходных генах, приводящие эти гены в нерабочее состояние. Скорее всего, существует не так уж много мутаций, которые способны предотвратить формирование спящей стадии и одновременно не слишком вредны для животного. Для данного признака доступное решение, по-видимому, оказалось единственным.

Рис. 23 – Спящая личинка Caenorhabditis elegans (белая стрелка) в много клеточном плодовом теле почвенной амебы Dictyostelium. McGrath et al., 2011

178

раз больше, чем у фагов).

Оказалось, что у вирусов К в ходе эксперимента зафиксировалось вдвое больше мутаций (в среднем по 23 мутации), чем у их коллег из группы Э (в среднем 11 мутаций). Таким образом, антагонистическая коэволюция действительно ускоряет эволюционные изменения.

Популяции из группы К (рис. 24) не только накопили больше отличий от исходного вируса, они и друг от друга стали отличаться сильнее, чем популяции Э. Вирусы К ближе подошли к превращению в шесть разных вирусов. Это значит, что антагонистическая коэволюция, по-видимому, способствует генетической дивергенции (расхождению) и видообразованию.

Рис. 24 – Длины ветвей на этой дендрограмме отражают величину генетических различий между исходным вирусным геномом и популяциями из групп К и Э. Видно, что популяции К сильнее отличаются и от исходного вируса, и друг от друга, чем популяции Э. Параллельное независимое закрепление ряда мутаций в

разных популяциях привело к тому, что на этой схеме 12 ветвей, соответствующих 12 экспериментальным популяциям, не расходятся в виде звездочки от своего общего предка, что в точности отражало бы их эволюционную историю, а образуют древовидную фигуру. Это, между прочим, лишний раз подчеркивает низкую достоверность эволюционных реконструкций, основанных на небольшом числе адаптивных признаков.

По рисунку из Paterson et al., 2010

Соответствует ли генетическое расхождение фагов расхождению по фенотипу, т. е. по способности заражать те или иные бактерии? В поисках ответа биологи вносили разных подопытных вирусов в каждую из шести популяций бактерий, коэволюционировавших с вирусами, и подсчитывали число «удачных» заражений. Оказалось, что вирусные популяции К различаются по способности заражать бактерий из разных линий, т. е. имеют разные «спектры инфекционности». Чем выше генетическое сходство вирусов, тем более сходны и

180