Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Что же заставило пекарские дрожжи отказаться от противовирусной защиты? Или, говоря более корректным языком, почему отбор не отсеял мутации, нарушившие работу системы РНК-интерференции у предков S. cerevisae?

Чтобы ответить на этот вопрос, авторы, ранее открывшие РНК-интерференцию у S. castellii, провели эксперименты с пекарскими дрожжами, у которых способность к РНК-интерференции была восстановлена путем пересадки двух генов от S. castellii. Генно-модифицированные дрожжи выращивали на 50 разных средах. Везде они размножались с такой же скоростью, что и «дикие» дрожжи без РНК-интерференции.

Зато обнаружилось, что S. cerevisae с восстановленной способностью к РНК-интерференции быстро теряют свой симбиотический вирус, который живет в их цитоплазме в виде комплекса из нескольких двухцепочечных молекул РНК. Этот вирус, известный под названием killer (убийца), содержит в своем геноме ген токсичного белка и одновременно защищает клетку, в которой находится, от действия токсина. Яд выделяется дрожжами в окружающую среду и убивает те дрожжевые клетки, у которых нет симбиотического вируса-убийцы. Это классическая система «яд — противоядие», которую используют многие симбионты и паразиты, чтобы повысить конкурентоспособность хозяина (как в данном случае) или чтобы не дать ему от себя избавиться.

РНК-интерференция разрушает двухцепочечную РНК вируса-убийцы. В результате дрожжи теряют способность вытеснять конкурентов, не имеющих вируса-убийцы, и становятся беззащитными перед конкурентами, у которых такой вирус есть. Таким образом, отсутствие РНК-интерференции дает дрожжам преимущество, позволяя им содержать в своих клетках полезный вирус.

Применимы ли эти выводы к другим грибам? Авторы провели целенаправленный поиск генов РНК-интерференции в геномах грибов, у которых есть вирусы-убийцы, а также поиск таких вирусов у грибов, о которых уже было известно, что РНК-интерференция у них есть.

Выяснилось, что между наличием вирусов-убийц и РНК-интерференции существует строгая отрицательная зависимость. У всех видов, имеющих вирусы-убийцы, нет РНК-интерференции. При этом родственные виды могут обладать РНК-интерференцией, но тогда у них наверняка нет вирусов-убийц.

Утрата генов РНК-интерференции произошла независимо в девяти эволюционных линиях грибов. В четырех случаях из девяти это сопровождалось приобретением вирусов-убийц. Случаев повторного приобретения генов путем ГПГ выявлено не было.

Почему РНК-интерференция была потеряна в пяти линиях, в которых вирусов-убийц обнаружить не удалось? Пока неизвестно. Может быть, такие вирусы были у их предков, но потом потерялись (как это произошло и в некоторых природных популяциях дрожжей).

Все девять случаев утраты РНК-интерференции произошли недавно: они приурочены к самым верхним, концевым веточкам эволюционного дерева. Если какие-то грибы и утрачивали РНК-интерференцию в более далеком прошлом, их потомки не дожили до наших дней. Возможно, это означает, что потеря РНК-интерференции в долгосрочной перспективе оказывается проигрышной стратегией и ведет к вымиранию (Drinnenberg et al., 2011).

Бактерии наследуют приобретенный иммунитет

Говоря о горизонтальном переносе у неродственных организмов и РНК-интерференции, нельзя не упомянуть об одном исключительном явлении — приобретенном иммунитете у бактерий. Это явление замечательно вдвойне. Это, во-первых, неопровержимый случай наследования приобретенных признаков (о чем так долго спорили и продолжают спорить биологи) и, во-вторых, горизонтальный перенос, поставленный на конвейер и работающий на пользу своему хозяину. Речь идет о так называемой CRISPR-системе.

В книге «Рождение сложности» в главе о наследовании приобретенных признаков мы рассказали о смелой гипотезе австралийского иммунолога Эдварда Стила и его коллег, предположивших, что приобретенный иммунитет у позвоночных иногда может наследоваться (Стил и др., 2002). Будь это так, пришлось бы признать реальность «ламарковского» наследования приобретенных признаков у позвоночных, пусть и в виде редкого, специфического исключения. Но прошло уже больше десятилетия, а гипотеза Стила так и не получила весомых подтверждений. При нынешних темпах развития биологии это означает, что Стил был не прав и приобретенный иммунитет у позвоночных не наследуется.

Но пути науки неисповедимы. Не успели неоламаркисты оплакать эту потерю, как микробиологи преподнесли им роскошный подарок. Они обнаружили, что у многих бактерий и архей есть особая система приобретенного иммунитета, основанная на заимствовании генетического материала у паразитов (вирусов и плазмид) и «вписывании» приобретенных защитных свойств прямо в геном. Эти свойства автоматически становятся наследственными и передаются всем потомкам данной бактерии. Новооткрытая система — максимальное приближение природы к «подлинно ламарковскому» наследованию, известное на сегодняшний день.

Этот тип иммунитета обеспечивается маленькими молекулами РНК, гены которых находятся в особых локусах (участках хромосомы), получивших неудобоваримое название CRISPR (clustered regularly interspaced short palindromic repeats — расположенные группами, регулярно подразделенные короткие палиндромные повторы).

Локусы CRISPR найдены у 90 % архей и 40 % бактерий. Каждый такой локус состоит из нескольких несоприкасающихся палиндромных повторов [77] , между которыми имеются промежутки — спейсеры. Спейсер — это короткий участок вирусной или плазмидной ДНК. Размер CRISPR-повтора — от 23 до 47 нуклеотидных пар, спейсера — от 21 до 72. Число групп «повтор/спейсер» может достигать 375, но обычно меньше 50. В бактериальном геноме может быть один или несколько локусов CRISPR.

77

Палиндромным повтором называют последовательность нуклеотидов, левая часть которой комплементарна правой (например: АТГЦЦГАА… ТТЦГГЦАТ). Молекулы РНК, транскрибированные с палиндромного повтора, имеют обыкновение скручиваться в двойную спираль, образуя так называемые шпильки — структуры с двуспиральной «ножкой» и однонитевым колечком.

Поблизости от CRISPR расположены гены белков Cas (CRISPR associated). Эти белки необходимы для работы данной системы. Большинство Cas — это нуклеазы (ферменты, разрезающие молекулы ДНК и РНК), полимеразы (ферменты, осуществляющие матричный синтез НК) и нуклеотид-связывающие белки. Всего эта группа объединяет около 40 семейств белков.

Повторы CRISPR-последовательностей в пределах каждого вида микробов почти одинаковы, но сильно различаются от вида к виду.

В 2007 году было показано, что бактерия Streptococcus thermophilus в ходе борьбы с вирусами-бактериофагами изменяет свой локус CRISPR, достраивая к концу старой последовательности одну или несколько единиц «повтор/спейсер». Добавленные спейсеры совпадали с участками вирусного генома. При этом бактерии приобретали устойчивость к данному вирусу. Если изменить последовательность нуклеотидов нового спейсера или вообще удалить его, приобретенная устойчивость к фагу теряется.

В последующие два года ученые доказали, что локусы CRISPR эволюционируют в ответ на вирусные атаки, так что состав и порядок расположения спейсеров — это своебразная хроника вирусных инфекций, перенесенных данной бактерией и ее предками. Итак, взаимодействие с вирусами приводит к появлению иммунитета, который сохраняется в ряде поколений.

В формировании иммунитета участвуют Cas-белки. Без них микроб не может вставлять в свой геном вирусную или плазмидную ДНК в качестве спейсеров. Если в клетку проникает чужеродная ДНК, то Cas-белки перво-наперво распознают ее. Потом они же вырезают участок чужой ДНК и встраивают в локус CRISPR новую рабочую единицу «повтор/спейсер». Обновленная бактериальная хромосома нормально реплицируется и передается по наследству потомкам.