Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

При транскрипции CRISPR формируется цепочка РНК (CRISPR-РНК, или crРНК), которая затем нарезается на короткие кусочки, состоящие из двух половинок палиндромного повтора и заключенного между ними спейсера. Эту нарезку также осуществляют Cas-белки.

В результате получается внушительный набор коротких сгРНК с различными вирусными спейсерами. Среди них и тот, который был счастливо приобретен при недавнем инфицировании. Молекулы crРНК объединяются с некоторыми Cas-белками. Если в клетку снова попадет такой же вирус, то РНК, несущая соответствующий спейсер, узнает комплементарный участок вирусной ДНК, а Сas-белки обезвредят ее. Узнавание чужой ДНК при помощи комплементарной crРНК происходит эффективно и быстро.

Схема одного из двух локусов

Streptococcus thermophilus, содержащих CRISPR и ассоциированные гены cas. Серым цветом показаны cas– гены, черным — CRISPR-последовательности. Под черным прямоугольником вынесена подробная структура CRISPR. Черные ромбики — это палиндромные повторы, а белые маленькие прямоугольники — спейсеры, представляющие собой участки плазмидной или вирусной ДНК. Буквами внизу обозначена нуклеотидная последовательность палиндромного повтора. Справа — «шпилька», петлеобразная структура, в которую сворачивается РНК, считанная с палиндромного повтора. Из Horvath, Barrangou, 2010.

При частых атаках определенного вируса соответствующая рабочая единица «повтор/спейсер» поддерживается в рабочем состоянии в ряде поколений (мутации, повреждающие ее, отсеиваются отбором). Если же паразит больше не нападает, то соответствующая единица «повтор/спейсер» со временем накопит мутации, перестанет работать или исчезнет. Так что CRISPR-иммунитет — это самонастраивающаяся система (Horvath, Barrangou, 2010).

В любой иммунной системе важнейшая проблема состоит в том, чтобы предотвратить атаку защитных молекул на собственный организм. Иммунная система должна отличать свое от чужого, иначе это будет не иммунитет, а самоубийство. Американским ученым из Северо-Западного университета (Эванстон, США) удалось выяснить, как бактерии решают эту задачу. Оказалось, что в узнавании чужеродной ДНК участвуют не только спейсеры, но и ограничивающие спейсер фрагменты палиндромных повторов. Если комплементарным оказывается не только спейсер, но и окружающие его нуклеотиды, то это «родная» ДНК, и иммунной атаки не происходит. Если же спейсер комплементарен проверяемой последовательности, а фрагменты повторов — нет, то это чужой геном, и тогда белки Cas избавляются от паразитической ДНК (Marraffini, Sontheimer, 2010).

Итак, система CRISPR позволяет микробам напрямую вносить полезные изменения в свой геном, не прибегая к помощи случайных мутаций и отбора. Своеобразный (и, по-видимому, совершенно уникальный) способ быстрого создания полезных наследственных признаков! Но сама эта замечательная система, конечно, развилась более традиционным способом. Ее происхождение пока не выяснено в деталях, однако прослеживается преемственность между ней и системой РНК-интерференции, о которой рассказано выше (Deltcheva et al., 2011).

Бактериальные гены помогли нематодам стать паразитами

Число доказанных случаев горизонтального переноса генов от бактерий к животным пока невелико, но быстро растет. О двух из них мы рассказали в «Рождении сложности» (о переносе генов паразитической бактерии вольбахии в геном насекомого-хозяина и о заимствовании бделлоидными коловратками генов бактерий, грибов и растений). Кроме того, обнаружено заимствование генов тлями у своих бактериальных симбионтов (Nikoh, Nakabachi, 2009), а также перенос генов водоросли в геном удивительного морского моллюска Elysia chlorotica. Этот моллюск, похожий на ползающий зеленый листок, сохраняет хлоропласты съеденных водорослей живыми в своих тканях и таким образом приобретает способность к фотосинтезу (Rumpho et al., 2008). Заимствованные у водорослей ядерные гены помогают моллюску обслуживать ворованные хлоропласты (имеющие собственный маленький геном). Вот уж поистине радикальное эволюционное новшество: фотосинтезирующее животное!

Во всех этих случаях речь идет либо о переносе генов от симбионта к хозяину (что помогает хозяину обеспечивать симбионта всем необходимым), либо о заимствованиях, польза которых не вполне очевидна. В принципе эти случаи можно было бы рассматривать как курьезы, не играющие важной роли в эволюции животных. Другое дело, если бы удалось показать роль ГПГ в становлении какой-нибудь большой и экологически значимой группы животных.

Именно это удалось сделать в последние годы на примере фитопатогенных нематод (круглых червей) (Danchin et al., 2010). Нематоды, паразитирующие на растениях, — опаснейшие вредители: причиняемый ими ущерб оценивается в 157 млрд долларов в год. Уникальная особенность фитопатогенных нематод — наличие впечатляющего арсенала ферментов для разрушения компонентов стенки растительных клеток: целлюлозы, гемицеллюлоз и пектинов. Эти ферменты необходимы паразитам для проникновения в ткани растения и перемещения в них. У других животных, за редчайшими исключениями, таких ферментов нет. Зато они есть у многих бактерий и грибов. Поэтому напрашивается предположение, что нематоды позаимствовали соответствующие гены у бактерий или грибов путем горизонтального переноса.

Cравнительный анализ аминокислотных последовательностей этих ферментов у нематод, а также похожих белков, имеющихся у других организмов, показал, что все эти ферменты действительно были заимствованы нематодами у бактерий. Большинство заимствований произошло на ранних этапах эволюции фитопатогенных нематод. Заимствованные гены впоследствии подвергались многочисленным дупликациям. Получившиеся новые копии генов накапливали отличия и делили между собой функции. В результате нематоды обзавелись целым арсеналом ферментов для разрушения растительных клеточных стенок.

Каждая группа этих ферментов имеют свою историю. Например, гены полигалактуроназ — ферментов, расщепляющих пектины, — нематоды заимствовали у микроба, родственного современной бактерии Ralstonia solanacearum. Эта бактерия паразитирует на тех же растениях, что и нематоды, «одолжившие» ее ген. Возможно, предки современных нематод проглатывали предков ральстонии, копаясь в корнях растений. Гены ферментов ксиланаз, расщепляющих гемицеллюлозу, нематоды позаимствовали у почвенных бактерий — клостридий на самых ранних этапах своей эволюции. Выяснено и происхождение других групп заимствованных ферментов: целлюлаз (взяты у почвенной бактерии, близкой к Cytophaga hutchinsonii), пектат-лиаз, арабиназ и экспансинов (взяты в разное время у разных представителей актинобактерий).

Таким образом, становление большой группы животных — фитопатогенных нематод — было неразрывно связано с горизонтальным переносом генов от бактерий к животным. Каким образом бактериальные гены попадали в половые клетки животных, неизвестно, но мы должны признать, что такие события иногда случаются и могут иметь далеко идущие последствия. Едва ли можно сомневаться в том, что эволюционный успех фитопатогенных нематод был обеспечен именно заимствованными у бактерий генами (Mayer et al., 2011).

Сельскохозяйственные симбиозы

В популярных книгах об эволюции принято уделять много внимания искусственному отбору и его плодам — новым видам, породам и сортам животных и растений, выведенным людьми в ходе уникального «эволюционного эксперимента», начавшегося свыше 10 тыс. лет назад в связи с переходом к сельскому хозяйству.

Эта традиция заложена еще Дарвином. В то время образованной английской публике не нужно было объяснять, что такое отбор (селекция, selection). Многие джентльмены увлекались селекцией собак, лошадей, голубей, различных растений и не понаслышке знали, как быстро можно добиться радикальных изменений в строении и внешнем облике организмов путем отбора, т. е. отбраковки «неудачных» особей и размножения «удачных» (что бы ни понимал под «удачностью» конкретный селекционер).

Поэтому Дарвин и назвал открытый им механизм эволюции «естественным отбором». Он хотел, чтобы все сразу поняли, о чем речь. Гениальная догадка Дарвина состояла в том, что в природе должен самопроизвольно идти процесс, аналогичный тому, что происходит в голубятне эксперта-голубевода, выводящего новую породу.

Любому селекционеру-практику отлично известно, как сильно могут различаться особи одного вида по своим наследственным качествам. Оставляя «на развод» одних животных (например, самых длинноногих) и отбраковывая других, селекционер создает ситуацию, в которой репродуктивный успех (приспособленность) особи зависит от определенного наследственного признака. С точки зрения отбираемых собак ситуация выглядит так: «Чем длиннее твои ноги, тем больше у тебя шансов оставить потомство». В результате те генетические варианты (аллели), которые способствуют развитию длинных ног, распространяются в популяции, а «гены коротких ног» исчезают, выбраковываются. В итоге мы получаем новую породу — например, борзую.