Закон Долло для макромолекул

Как говорят, исключениями правило проверяют. Структура спирали 17 в рРНК имеет так много исключений, что нам не составит большого труда проверить главное правило – о неравномерности ее эволюции.

Характернейшая особенность спирали 17 Bilateria – неспаренный нуклеотид – отстутствует в рРНК погонофор и вестиментифер – глубоководных свободноживущих червей, известных полным отсутствием пищеварительной системы. Вестиментиферы прославились симбиозом с хемотрофными бактериями, которые извлекают химическую энергию из горячих высачиваний «черных курильщиков», обеспечивая в глубинах океана, без солнечного света, синтез органических веществ для себя и всего сообщества «черных курильщиков» [9]. У погонофор и вестиментифер для «лишнего» нуклеотида нашелся парный, и их спираль 17 состоит из 14, а не «13½» пар (рис. 3). Хотя погонофор, ввиду их родства с многощетинковыми кольчатыми червями, подтвержденного молекулярными признаками, теперь предпочитают не выделять в отдельный тип, а только в отдельное семейство, как впервые предлагал П.В. Ушаков, погонофоры и вестиментиферы – это монофилетическая группа (не важно, какого ранга), и своеобразное устройство спирали 17 в рРНК – еще одно подтверждение их монофилии.

Спираль 17 длиной 14 пар найдена также у ортонектид, микроскопических паразитов морских беспозвоночных [7], но этот эволюционный переход произошел в результате независимого события – ортонектиды «заполнили» брешь не у вершины, а у основания спирали 17 (рис. 3).

Другие паразитические животные, колючеголовые черви или скребни (Acanthocephala), потеряли типичный для Bilateria «лишний» нуклеотид, но приобрели свой «лишний» нуклеотид. Он у них пиримидин, а не пурин, и находится в 5’-, а не 3’-ветви спирали 17 (рис. 3). Консервативность такого устройства спирали 17 внутри типа проверена более чем на 30 видах из всех трех классов Acanthocephala.

Круглые черви как бы «вернулись» к предковому состоянию спирали 17: у них нет неспаренного нуклеотида и общая длина спирали 13 пар. Однако в четвертой от вершины паре в 3’-ветви у них почти всегда находится пурин (гуанин, реже аденин), тогда как в тысячах известных спиралей в рРНК растений, грибов, протистов и «радиальных» животных с предковым строением спирали это место занимает почти исключительно пиримидин (рис. 3). «Лишний» же неспаренный нуклеотид Bilateria имеет как раз четвертый номер и он как раз пурин (гуанин, редко аденин), т.е. круглые черви вернулись не совсем к предковому состоянию. Похоже, они избавились не от «лишнего», а от следующего за ним нуклеотида.

Этим не исчерпывается многообразие форм спирали 17 в рРНК Bilateria. Своеобразно она устроена у бескишечных ресничных червей отряда Acoela, пресноводных брюхоресничных червей отряда Chaetonotida, мизостомид, тихоходок и некоторых других животных. Среди миксоспоридий имеется даже несколько вариантов спирали 17. Складывается впечатление, что эволюция спирали 17 следует известной шутке: менять ее конфигурацию нельзя, но если очень хочется, то можно. В результате она изменяется, но редко, и может быть почти какой угодно формы, но строго постоянной в рамках одной филогенетической линии (типа, отряда, группы видов). Очевидно, последнее – простое следствие редкости изменений. Приспособительны ли они? Мы еще вернемся к этому вопросу, а пока разберем еще один пример неравномерных изменений в другой спирали малой рРНК под номером 49.

Спираль 49 несовершенна, и во многих группах круглых червей, также как за пределами типа, вместо 19-й пары, считая от ее основания, в обеих ветвях присутствуют противостоящие неспаренные пиримидиновые остатки (рис. 4, внизу). Однако у круглых червей подкласса Dorylaimia неспаренные пиримидиновые остатки находятся в необычном месте (вместо 18-й или 20-й пары) или окружены необычными нуклеотидами, притом их современные последовательности не могут быть легко выведены одна из другой (рис. 4, вверху). Таким образом, напрашивается предположение, что исходная структура спирали 49 была разрушена уже у их общего предка. Гипотетическое переходное состояние заключалось в дестабилизации соседних пар из-за двух нуклеотидных замен, а затем происходила полная или частичная компенсация, которая осуществилась в разных отрядах дорилаймий независимо за счет либо обратных мутаций, либо компенсаторных мутаций (они показаны полужирным шрифтом на рис. 4). Как легко подсчитать, стабилизация одной или двух пар из трех не комплементарных возможна 18-ью способами, и не удивительно, что в 5-ти отрядах дорилаймий все 5 реализованных способов оказались разными.

Макромолекулы (РНК и белки) достигают сложности не меньшей или даже большей, чем морфологические структуры и органы. Многообразие способов, которыми может быть достигнуто некоторое конструктивное решение, требуемое стабилизирующим отбором (уменьшение внутренней петли в спирали 49 в нашем примере), в обоих случаях объясняет, при условии случайности мутаций, многообразие способов, которые реализуются в эволюции. Если, например, какое-то произошедшее ранее изменение потеряло приспособительное значение, то возврат в исходное состояние оказывается только одной из многих возможностей, и, весьма вероятно, вместо возврата произойдет изобретение чего-то нового. Этот принцип получил название принципа необратимости эволюции или закона Долло, по имени сформулировавшего его бельгийского ученого. На уровне макромолекул он получает ясное и наглядное объяснение как результат стабилизирующего отбора на фоне случайных мутаций.

Приспособительны ли мутации в позициях с переменной скоростью эволюции?

В основу современной парадигмы молекулярной эволюции легли две тесно связанные концепции: гипотеза о значительном нейтральном компоненте в эволюции макромолекул и концепция молекулярных часов. Эволюция вариабельных участков макромолекул происходит в хорошем соответствии с их предсказаниями. Постоянный мутационный процесс и случайный характер размножения обладателей различных аллельных вариантов обеспечивают постоянное и весьма быстрое безотносительное к движущему отбору изменение генов. Результаты действия этого процесса обнаруживаются у сколь угодно близких видов и популяций в митохондриальных геномах, в межгенных участках, интронах, вариабельных областях рибосомных генов. Рассмотренные выше участки спиралей 17 и 49 малой рРНК не могут быть отнесены ни к вариабельным, ни к эволюционно консервативным областям молекулы. Они длительно существуют практически не меняясь (в контексте вторичной, а не первичной структуры); но в какие-то моменты возникает временная их нестабильность. В результате фиксируется измененное состояние, которое далее вновь стабильно наследуется в череде видов. По сути, спирали 17 и 49, выбранные из всего множества элементов макромолекулы по принципу их значимости как филогенетических маркеров для древних эволюционных линий, эволюционируют в режиме «прерываемого равновесия».

С точки зрения существования в ферментах активного центра и «неважных» участков, переменная эволюционная консервативность несколько неожиданна. Физиологическая роль «неважных», эволюционно вариабельных областей, как правило, неизвестна. В рРНК, как и в ферментах-белках, они, вероятно, должны сблизить функционально активные остатки макромолекулы на строго определенное расстояние, ориентировать их под нужными углами друг к другу. А еще облегчать доступ в активный центр субстратов и удалять продукты, заякорить макромолекулу в нужном отделе клетки, связывать сигнальные молекулы, и, конечно, при этом не связывать и не катализирвать ничего постороннего. Многие устойчивые, равновесные состояния рРНК отличаются вставками или делециями отдельных нуклеотидов, то есть мутациями, которые приводят к локальному изменению вторичной структуры РНК. В дополнение к упомянутым, приведем нескомпенсированную делецию двух нуклеотидов в спирали 42, важную для расшифровки филогении низших многоклеточных [10]. По аналогии с Уотсон-Криковскими парами в спиралях, можно предположить, что такие мутации, чтобы не повлиять существенно на общую структуру рибосомы и не снизить приспособленность, должны сопровождаться одновременной компенсацией в структуре взаимодействующей молекулы (РНК или белка).

Например, в межмолекулярные взаимодействия вовлечена спираль 49 бактерий. В их клетках обнаружена так называемая транспортно-матричная РНК [11], одна половинка которой подобна тРНК, а другая комплементарна 3’-ветви спирали 49 как раз той области, которая неожиданно перестроилась у круглых червей дорилаймий. Если информационная РНК по какой-то причине не имеет стоп-кодона, то бактериальная рибосома не прерывает сразу трансляцию, просто «свалившись» с матрицы, а надолго задерживается, «дожидаясь», когда с ней свяжется тмРНК, на которую трансляция и переключится. В тмРНК есть стоп-кодон, а перед ним несколько триплетов, кодирующих аминокислотные остатки – мишени внутриклеточных протеаз. Поэтому белок, синтезированный с неполной матрицы, будет в клетке очень быстро распознан и расщеплен². У эвкариот не найдено тмРНК, но характер эволюции спирали 49 указывает, что ее последовательности в определенной мере контролируются стабилизирующим отбором и, вероятно, участвуют в каких-то внутри- или межмолекулярных взаимодействиях.

Согласованные двойные мутации возникают крайне редко (относительно времени существования филогенетических линий), не подвержены реверсиям (по закону Долло), и поэтому те из них, которые возникли в стволовой группе, ясно маркируют ветви филогенетического дерева. Таким образом, признаки в структуре спиралей 17 и 49, специфические для монофилетических групп различного ранга (всех круглых черве или их отдельных отрядов, типа скребней, ортонектид, всех двусторнне-симметричных животных и т. д.) нельзя рассматривать как нейтральные: их возникновение невозможно предсказать, исходя из времени существования филогенетической линии по результатам калибровки «молекулярных часов». В то же время их нельзя рассматривать и как адаптивные, поскольку нет оснований интерпретировать происходящие изменения как приспособление к каким-то новым особенным функциям. Эти признаки мы предложили обозначать как условно нейтральные [12]. 100 лет назад английский философ и эволюционист Г. Спенсер понял, что одновременные согласованные мутации должны происходить очень редко, если они независимы. Тогда еще не была открыта эмбриональная индукция, благодаря которой целые комплексы структур изменяются согласованно в онтогенезе в зависимости от единственной мутации, влияющей на развитие индуктора. Поэтому Г. Спенсер подумал, что для наблюдаемой скорости эволюции необходима определенная (а не дарвиновская неопределенная) изменчивость. Молекулы, в отличие от органов, изменяются независимо, так что длительные периоды стазиса в их эволюции (до случайного изобретения новой гармонии) не удивительны.

Условно нейтральные признаки восполняют существенный пробел в молекулярной филогенетике. Действительно, по каким признакам распознать древнюю филогенетическую линию, отдельные ветви которой существуют, например, с кембрия? Очевидно, их общие признаки не должны разрушаться нейтральными мутациями, как это происходит с последовательностями межгенных участков и интронов. Но может ли такая эволюционная консервативность сочетаться с нейтральностью этих признаков хотя бы в момент их возникновения? И не значит ли это, что признаки, которые маркируют типы и классы, эволюционируют по другим законам, нежели признаки низших таксономических уровней, и что молекулярная биология позволяет провести пресловутую границу между микро- и макроэволюцией? Или признаки таксонов высокого ранга адаптивны? Но в таком случае трудно представить, в чем может состоять адаптивное различие в макромолекулах, выполняющих неизменные клеточные функции, а если различия приспособительны, то возникает новый вопрос о вероятности конвергенции по этим признакам. Представление об условной нейтральности некоторых молекулярных признаков снимает остроту всех перечисленных вопросов.

Совместное действие на генетический аппарат стохастического мутационного процесса и стабилизирующего отбора вносят в эволюцию функционально значимых признаков компонент неравномерности, своеобразной квантованности и непредсказуемости их изменений во времени, тогда как нейтральные признаки меняются постепенно, пропорционально времени независимой эволюции, но направление их изменения принципиально непредсказуемо (в этом и проявляется их нейтральность). Таким образом, биологическая эволюция включает как содержательную, так и временнýю неопределенность, и вряд ли надо требовать от теории эволюции такой прогностичности, как от ньютоновской механики.