Лестница жизни. Десять величайших изобретений эволюции

Для всех этих двигательных белков, как и для их путеводных проводов, известны бактериальные прототипы, хотя родственные связи между теми и другими далеко не всегда очевидны, а бактериальные белки обычно выполняют совсем другую работу [50] . Здесь тоже помогли методы рентгеноструктурного анализа, позволившие установить родство, которое, может, вообще не удалось бы выявить, пользуясь только генетическими последовательностями.

На уровне подробных генетических последовательностей между двигательными белками двух основных разновидностей, миозинами и кинезинами, нет почти ничего общего. Здесь и там попадаются похожие участки, но долгое время считалось, что такие участки возникли случайно или в результате конвергентной эволюции. Кинезины и миозины и вправду казались классическим примером конвергенции: двумя неродственными группами белков, которые специализировались на выполнении сходных функций и у которых поэтому выработались черты структурного сходства (точно так же, как между крыльями летучих мышей и птиц, возникших независимо и похожих друг на друга оттого, что в них были сходным образом решены одни и те же задачи, связанные с полетом).

50

Многие бактерии тоже могут двигаться, используя для этого жгутик, который сильно отличается от любых структур эукариотических клеток. По сути, он представляет собой жесткий штопор, вращающийся вокруг своей оси за счет белкового мотора. Бактериальный жгутик часто пытаются выдать за пример «неупрощаемой сложности», но этот пример был так подробно и убедительно опровергнут в других работах, что я не стану его здесь обсуждать. Если вам интересно больше узнать о бактериальном жгутике, обязательно прочитайте книгу «Расплетенный жгутик», которую написал Кен Миллер, выдающийся биохимик и «бич Божий» для сторонников концепции «разумного замысла», а кроме того, воцерковленный католик. Он не видит никаких противоречий между верой в Бога и убеждением, что все молекулярные особенности живого объясняются эволюцией. Адептов же «разумного замысла» он объявляет дважды неудачниками: «Наука их не признает, потому что они противоречат фактам, а религию они подводят своим невысоким мнением о Боге».

Но затем с помощью рентгеноструктурного анализа удалось с атомарным уровнем разрешения установить их трехмерную структуру. Генетическая последовательность дает лишь двумерную последовательность букв — либретто без музыки, — в то время как рентгеноструктурный анализ кристаллов позволяет определить трехмерную форму белка — оперу целиком во всем ее великолепии. Вагнер однажды заметил, что оперная музыка должна вырастать из слов, что слова первичны. Но Вагнера помнят не за одни словесные выражения тевтонских страстей — именно музыка вдохнула жизнь в его произведения, которыми наслаждается уже не одно поколение ценителей. Точно так же и последовательность генов представляет собой Слово природы, но настоящая музыка белков заключена в их форме, и именно она позволяет белкам выживать под давлением естественного отбора. Отбору нет дела до последовательностей генов: его заботят только функции. Хотя гены и определяют функции кодируемых ими белков, они часто делают это именно за счет того, что диктуют форму, в которую белки сворачиваются по правилам, по-прежнему плохо нам понятным. В результате последовательности генов, происходящих от общего предка, могут постепенно расходиться так далеко, что между ними не останется никакого сходства, как и получилось с генами миозинов и кинезинов. Но вырастающая из них музыка белковых шариков никуда не делась, и ее по-прежнему можно выявить с помощью рентгеноструктурного анализа.

Итак, исходя из данных рентгеноструктурного анализа, мы знаем, что миозины и кинезины действительно происходят от одного и того же белка, несмотря на очень слабое сходство кодирующих эти белки генов. Их трехмерное строение обнаруживает множество соответствующих друг другу складок и других структур, вплоть до ключевых аминокислот, сохранившихся в одном и том же положении на одних и тех же местах. Это поразительное достижение отбора: он сохранил строение белковых структур и промежутков между ними неизменными в течение миллиардов лет, хотя сам материал этих структур и даже определяющие его последовательности со временем исказились до неузнаваемости. И все эти структуры показывают, что и миозины, и кинезины родственны более многочисленному семейству белков, которые явно происходят от бактериальных предшественников [51] . Эти бактериальные белки выполняли (и по-прежнему выполняют) работу, включающую те или иные движения, требующие приложения физической силы, например переходы из одной конформации в другую, но ни один из них не обеспечивал настоящей подвижности. Таким образом, рентгеноструктурный анализ показывает нам строение «костей» белка, как рентгеновский снимок птичьего крыла демонстрирует строение его скелета. И так же, как строение костей и суставов выдает происхождение крыльев, развившихся из конечностей бескрылых рептилий, строение двигательных белков свидетельствует о том, что они явно произошли от бактериальных белков, способных менять конформацию, но не обладавших настоящей подвижностью.

51

А именно — G-белкам, семейству молекулярных «переключателей», задействованных во внутриклеточной сигнализации. У бактерий есть родственное им семейство белков ГТФаз. Их названия нам здесь не важны, достаточно будет сказать, что бактериальные предшественники миозинов и кинезинов известны.

Рентгеноструктурный анализ позволил сделать удивительные открытия и об эволюции цитоскелета — тех самых протянутых по всей клетке актиновых и тубулиновых проводов. Можно задаться вопросом, зачем клетке понадобилось вырабатывать целую сеть таких проводов — скоростных магистралей для двигательных белков, когда в ней еще не было самих этих двигательных белков. Не означало ли это, что эволюция поставила телегу впереди лошади? Нет, если цитоскелет был ценен сам по себе. Ценность цитоскелета определяется его структурными свойствами. Форма всех эукариотических клеток, от длинных и тонких нервных клеток до плоских клеток эндотелия, поддерживается именно нитями цитоскелета, и оказывается, что примерно то же самое относится и к бактериям. Многие поколения биологов приписывали многочисленные формы бактериальных клеток (палочковидную, спиралевидную, серповидную и так далее) окружающей эти клетки жесткой клеточной стенке. Поэтому, когда в середине 90-х годов XX века выяснилось, что у бактерий тоже есть цитоскелет, это стало большой неожиданностью. Бактериальный цитоскелет состоит из тонких нитей, очень похожих на актиновые и тубулиновые. Как мы теперь знаем, эти нити отвечают за поддержание сложной формы бактериальных клеток. (Мутации в генах цитоскелета приводят к тому, что обладающие сложной формой бактериальные клетки превращаются в простые шарики.)

Как и в случае с двигательными белками, генетическое сходство между белками бактериального и эукариотического цитоскелетов невелико. Но сходство их трехмерного строения, установленное лет десять назад с помощью рентгеноструктурного анализа, оказалось еще сильнее, чем у двигательных белков. По сути, бактериальные и эукариотические цитоскелетные белки почти точно накладываются друг на друга, так что одни и те же структуры и промежутки, а также несколько одинаковых ключевых аминокислот полностью совпадают. Ясно, что цитоскелет эукариотических клеток развился из бактериального. При этом эукариотические белки сохранили не только форму, но и функции далеких предшественников. И те, и другие играют общую структурную роль, но в обоих случаях цитоскелет способен на нечто большее, чем обеспечение неподвижной опоры. В отличие от нашего жесткого костного скелета клеточный скелет всегда динамичен, непрерывно меняется и перестраивается, непостоянен и всеобъемлющ, как грозовые облака. Он позволяет прикладывать силу, передвигая хромосомы, разделяя клетки пополам в ходе их удвоения, а также (по крайней мере, у эукариот) формировать наружные выросты и без помощи двигательных белков. Короче говоря, цитоскелет уже сам по себе обладает подвижностью. Как такое могло получиться?

Как актиновые, так и тубулиновые нити состоят из белковых субъединиц, собирающихся в длинные цепочки — полимеры. Эта способность к полимеризации не так уж удивительна: в конце концов, пластмассы тоже представляют собой полимеры, состоящие из субъединиц, образующих длинные молекулярные цепочки. Необычно в цитоскелете то, что его структура находится в состоянии динамического равновесия — переменчивого баланса присоединяющихся и отпадающих субъединиц, полимеризации и деполимеризации. В результате цитоскелет вечно перестраивается, надстраиваясь и снова разбираясь. Однако «строительные блоки» цитоскелета могут присоединяться к другим только с одного конца цепочки (как детали конструктора «Лего», или — это, может быть, точнее, — как воланы, вложенные один в другой), а отделяться — только с другого. Это и дает цитоскелету возможность создавать механическую силу. И вот почему.

Если скорость добавления субъединиц на одном конце цепочки равна скорости их отделения на другом конце, то полимерная цепочка в целом сохраняет постоянную длину. В этом случае кажется, что она движется в направлении того конца, к которому добавляются субъединицы. Если на пути такой цепочки оказывается тот или иной предмет, она может физически двигать его вперед. В действительности его при этом двигает не сама цепочка. Этот предмет толкают беспорядочные молекулярные силы, но каждый раз, когда между ним и растущим концом цепочки образуется небольшой промежуток, туда может протиснуться и пристроиться к цепочке еще одна субъединица. Тем самым рост цепочки не дает предмету двигаться назад, а беспорядочные толчки двигают его вперед.

Самый наглядный пример работы этого механизма, вероятно, наблюдается при некоторых бактериальных инфекциях, возбудители которых нарушают сборку цитоскелета. Например, листерии, которые могут вызывать менингит у новорожденных, выделяют два или три белка, вместе подчиняющие себе работу цитоскелета зараженной клетки. Это позволяет бактериям активно двигаться внутри клетки за счет актиновых «комет», собирающихся и разбирающихся за ними. Полагают, что сходный процесс происходит и в клетках самих бактерий, помогая им отделять друг от друга хромосомы и плазмиды (маленькие кольцевые молекулы ДНК) в ходе клеточного деления. Причем нечто похожее происходит и у амеб (а также в некоторых клетках нашей собственной иммунной системы, таких как макрофаги). Клеточные выросты (ложноножки) образуются за счет динамичной сборки и разборки актиновых нитей. Ни в каких сложных двигательных белках просто нет нужды.

Работа динамичного цитоскелета может показаться очень сложной, но биохимик Тим Митчисон из Гарварда утверждает, что это отнюдь не так. В основе этого явления лежат самопроизвольные физические процессы, которые происходят и без особой эволюции. Белки, не играющие вообще никакой структурной роли, могут сами по себе внезапно полимеризоваться, образовывая скелетные структуры, способные к приложению силы, после чего так же быстро разбираться, возвращаясь в исходное состояние. Такое поведение может показаться пугающим. Оно и правда обычно не приводит ни к чему хорошему. Например, при серповидноклеточной анемии, если уровень кислорода падает, то особая форма гемоглобина внезапно поляризуется, образуя своего рода каркас. Этот каркас и придает красным кровяным тельцам серповидную форму, давшую болезни ее название, то есть прикладывает силу и совершает движения. Когда уровень кислорода вновь повышается, этот аномальный цитоскелет разбирается (также самопроизвольно) и красные кровяные тельца опять обретают нормальную дискоидальную форму. Хотя возникающий при этом цитоскелет и не делает ничего хорошего, это настоящий динамичный цитоскелет, способный к приложению физической силы [52] .

52

Еще более неприятный пример касается губкообразной энцефалопатии крупного рогатого скота (коровье бешенство). Эту инфекционную болезнь вызывают прионы — особые белки, которые могут действовать как инфекционные частицы. Попав в организм, они меняют структуру его собственных соответствующих белков, полимеризующихся, образуя длинные фибриллы — иными словами, своего рода цитоскелет. Раньше прионы считались просто патогенами, но недавние исследования указывают на то, что прионоподобные белки могут играть определенную роль в формировании в мозге синапсов, обеспечивающих сохранение долговременной памяти.

Что-то подобное, должно быть, произошло в очень давние времена и с нормальным цитоскелетом. Субъединицы актина и тубулина происходят от обычных белков, выполняющих в клетке другие функции. Несколько несложных изменений в их структуре, подобных тем, что приводят к образованию аномальной формы гемоглобина, позволили им спонтанно собираться в нити. Однако, в отличие от изменений в гемоглобине при серповидноклеточной анемии, эти изменения должны были сразу оказаться полезными для клетки, поскольку их поддержал естественный отбор. Их польза могла быть и непрямой и даже не связанной с движением. В конце концов, ведь и мутацию, вызывающую серповидноклеточную анемию, естественный отбор поддерживает в тех регионах, где распространена малярия, поскольку обладание единственной копией мутантного гена защищает от этого недуга. Несмотря на то, что аномальный гемоглобин вызывает длительные болезненные приступы (серповидные клетки негибки и закупоривают капилляры), естественный отбор сохранил самопроизвольную сборку вредного цитоскелета, потому что у нее есть ценный, хотя и непрямой побочный эффект — устойчивость к малярии.

Итак, величием подвижности, от его простейших начал до прославленной силы скелетных мышц, мы обязаны горстке белков и бесконечным вариациям на тему механизма их работы. Задача, которую нам еще предстоит решить, состоит в том, чтобы разобраться во всех этих изумительных вариациях и найти исходную тему, тот простой хорал, с которого все началось. Поиски этого «хорала» составляют одно из самых увлекательных и дискуссионных направлений современных исследований, ведь его напевала еще праматерь всех эукариотических клеток, по-видимому, около двух миллиардов лет назад, и отголоски столь давних аккордов теперь не так-то просто расслышать. Как именно древнейшая эукариотическая клетка обрела подвижность, точно неизвестно. Мы не знаем, сыграло ли здесь ключевую роль сотрудничество (симбиоз) между клетками, что долгое время доказывала Линн Маргулис, или же клеточный скелет развился из генов, уже имевшихся у клетки-хозяина. Вероятно, мы сможем пролить больше света на эту проблему, когда отгадаем несколько интересных загадок. Например, у бактерий хромосомы расходятся при делении клетки с помощью актиновых нитей, в то время как перешнуровка, разделяющая материнскую клетку на две дочерние, осуществляется с помощью тубулиновых микротрубочек. При делении эукариотических клеток все происходит наоборот. Здесь «строительные леса» веретена деления, по которым хромосомы расходятся в разные стороны, построены из микротрубочек, а шнуровка, разделяющая клетку, состоит из актина. Когда мы узнаем, как и почему эти белки поменялись ролями, мы получим лучшее представление об истории жизни на Земле.