Проблемы Эволюции

Проблемы Эволюции

Внешние и внутренние факторы и ограничения молекулярной эволюции

Ратнер В. А.

О проблеме кажущейся "невероятности" прогрессивной эволюции путем случайного перебора вариантов и о решении этой проблемы на молекулярном. "Современные проблемы теории Эволюции" (ред. Л.П.Татаринов). М.: Наука, 1993.

В.А. РАТНЕР

ВНЕШНИЕ И ВНУТРЕННИЕ ФАКТОРЫ И ОГРАНИЧЕНИЯ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

"Современные проблемы теории Эволюции" (ред. Л.П.Татаринов). М.: Наука, 1993

 

1. НЕКОТОРЫЕ КОЛЛИЗИИ И ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ ЭВОЛЮЦИИ

История развития эволюционного учения богата коллизиями и противостояниями, взаимно исключающими подходами, острейшими непримиримыми дискуссиями. Назовем некоторые из них:

а) прямое приспособление с наследованием (ламаркизм) - или отбор особей на основе их изменчивости (дарвинизм)?

б) направленный отбор (адаптивная эволюция) - или случайный дрейф (нейтральная эволюция)?

в) внешний отбор случайных внутренних мутаций (селектогенез) - или внутренний источник направленной эволюции (ортогенез, номогенез)?

г) случайна ли наследуемая изменчивость? Или она предетерминирована генетической структурой? Или она ориентирована на условия жизни и, следовательно, сопряжена с направлением внешнего отбора.

Будучи поставлены в общей форме, многие из этих проблем либо остались без ответа, либо ответы были противоречивы и не снимали о троты полемики. Причина этого состоит в том, что, по нашему мнению, их решение подразумевает правильный адекватный выбор объекта рассмотрения и методологических подходов, а также учет важных внутренних особенностей этого объекта. Современная молекулярная генетика дает нам достаточно фактического материала, чтобы либо решить эти проблемы, либо продвинуться на пути их решения.

2. МГСУ КАК ОБЪЕКТЫ ТЕОРИИ МОЛЕКУЛЯРНОЙ ЭВОЛЮЦИИ

Молекулярная генетика, возникшая в конце 40-х - начале 50-х годов, к началу 70-х годов в основном решила свои исходные кардинальные проблемы: природа генов, генетические процессы, генетический код и т.п. Мало того, она вышла за пределы "менделеевского мира", показав, что почти все фундаментальные закономерности имеют исключения, где-то нарушаются. Иначе говоря, возникла необходимость уточнения фундаментальных понятий и основ современной генетики во всей их сложности . Например, оказалось, что из менделеевских генов можно построить простейшую систему (двухоперонный триггер), который уже не обладает менделеевскими свойствами (Ratner, Tchuraev, 1978) (см. рис. 10). Конкретная жизнь новой генетики оказалась гораздо богаче, чем это предполагалось в классической генетике. Стало возможным на прочной моле-кулярно-генетической основе объяснить многие казавшиеся негенетическими эффекты и явления.

Одним из наиболее существенных результатов и обобщений молекулярной генетики стало представление о молекулярно-генетических системах управления (МГСУ) клеток, вирусов и организмов (Ратнер, 1975). МГСУ клетки - это совокупность всех ее нерегулярных полимеров (ДНК, РНК и белков), в том числе молекулярных механизмов, выполняющих фундаментальные генетические процессы над биополимерами: матричный синтез, распад, перенос, преобразование, репарацию и т.д. Наиболее существенным свойством МГСУ как систем является их способность к самовоспроизведению, т.е. к воспроизведению всех своих макромоле-кулярных компонент за счет действия внутрисистемных устройств. Центральным ядром МГСУ, способным к самовоспроизведению, является сайзер - простейшая универсальная система самовоспроизведения (Ратнер, Шамин, 1983; Ратнер и др., 1985). Все эволюционирующие биологические объекты обладают способностью к сомовоспроизведению, т.е. это их групповое свойство эквивалентности. Сайзер - простейший молекулярный коллектив, обладающий этим свойством. В этом смысле он является центральным объектом теории, на котором простейшими средствами можно исследовать свойства биологических объектов (Ратнер, Шамин, 1983; Ратнер и др., 1985; Ратнер, 1986).

Мы выбирали МГСУ в качестве множества объектов теории молекулярной эволюции (ТМЭ) (Ратнер и др., 1985). Это значит, что гепы и их молекулярные продукты задаются последовательностями мономеров, системы генов - схемами динамического взаимодействия макромолекул, геномы - последовательностями генов и других функциональных единиц с их знаками пунктуации и управления, МГСУ в целом - замкнутой динамической системой взаимодействующих макромолекул, способной к самовоспроизведению.

Этот выбор, или новый подход, оказался черезвычайно плодотворным для анализа многих проблем ТМЭ (Ратнер и др., 1985; Ratner, 1985, 1987, 1990). Прежде всего была полностью использована появившаяся возможность количественно реконструировать филогенетические деревья макромолекул, выявить гомологию, оценивать скорости эволюции. Кроме того, появилась возможность по крайней мере в некоторых случаях, перейти от внешней оценки популяционных и эволюционных параметров (приспособленность, мутабильность, комбинационная способность и т.п.) к выводу этих параметров из внутренней структуры МГСУ и ее отдельных подсистем. Как известно, в популяционной и эволюционной генетике параметры вводятся постулативно (Crow, Kimura, 1970; Ратнер, 1977; Ратнер и др., 1985) либо численно измеряются в реальных популяциях (Manly.1985). Использование схем организации МГСУ, функциональной топографии геномов, генов, РНК и белков и т.д. позволяет описать эти системы изнутри в виде систем уравнений кинетики (эйгеновские ансамбли (Эйген, 1973; Эйген, Шустер, 1982; Ратнер, Шамин, 1983), оперенные системы (Goodwin, 1963; Ратнер, 1975; Savageau, 1976; Ratner, Tchuraev,1978), молекулярные экосистемы фаг-бактерия (Родин, Ратнер, 1982 а,б; Ратнер, Шамин, 1983), вирус-иммунная система хозяина (Ratner, 1988) и т.д.). При этом популяционно-эволюционные и экологические параметры получаются как функции внутренних кинетических параметров и переменных.

Иными словами, происходит следующее. В классической эволюционной теории, популяционной генетике превалирует описание внешних взаимодействий особи с окружением. Поэтому представление об отборе имеет "внешний" крен - в сторону взаимодействия особи с внешними факторами.

В тоже время выпадает из поля зрения целый пласт внутрисистемных явлений и ограничений. Например ясно, что летали имеют внутренние дефекты, несовместимые с жизнедеятельностью, часто — в любых условиях окружения. Точно так же некоторые молекулярные свойства генов, их систем и геномов оказываются селективно выгодными в любых условиях существования (Ратнер и др., 1985; Ratner, 1990).

Таким образом, описываемый подход сулит много новых и заманчивых возможностей, доступных количественному изучению, моделированию и теоретическому анализу. В частности, на этом пути находят решение многие контроверзы и трудные вопросы эволюционной теории.

3. МУТАЦИОННЫЕ СПЕКТРЫ ГЕНОВ И РЕЖИМЫ МАКРОЭВОЛЮЦИИ

В классической генетике преобладало представление о случайности мутаций, доказанное в экспериментах Лурия - Дельбрюка (Luria, Delbriick, 1943) и др. В дарвиновской теории сформулировано фундаментальное представление о ненаправленной изменчивости как основе отбора и эволюции. В качестве простейшего варианта эти представления вполне приемлемы, но, подчеркнем, только в качестве первого шага. В молекулярной генетике одним из важнейших обобщений, необходимых для характеристики и оценки потенциальной изменчивости генов, стало представление о мутационных спектрах (МС) (Ратнер и др., 1985; Ratner, 1988). Мутационный спектр гена (или его продукта - РНК, белка) - это распределение мутации по классам адаптивности (рис. 1). Уже без подробного анализа ясно, что мутационные спектры могут быть весьма различными. В зависимости от функциональной нагрузки гена, вторичной и пространственной структуры его макромолекулярного продукта, наличия в нем повторов, трактов и других особенностей контекста МС могут иметь очень разные особенности.

Рнс. 1.

Гипотетическая схема мутационного спектра гена. Указаны основные группы мутаций (Ратнер и др., 1985). (S) — давление отбора в пользу нового аллеля. При S>0 этот аллель адаптивен по сравнению с предыдущим, при S=0 — нейтрален, при S

 

Прежде всего почти всегда МС функционирующих генов содержит группу безусловных деталей, т.е. таких дефектов, которые всегда, в любых (или очень широких) условиях, несовместимы с жизнедеятельностью. Фактически у этих мутантов мутационно утрачена какая-то жизненно важная и невосполнимая молекулярная функция. Далее, всегда есть группа условных деталей и менее предпочтительных мутаций, оценка которых зависит также от окружения и структуры популяций. Это подвижная группа, меняющаяся в зависимости от внешних условий. Также зависят от внешних условий группы нейтральных и адаптивных мутаций.

Мутационный спектр непосредственно характеризует конкретную последовательность гена (РНК, белка). Однако опыт филогенетических реконструкций показывает (Ратнер и др., 1985), что МС достаточно устойчивы в пределах семейств изофунк-циональных макромолекул, которые сохраняют устойчивые общие принципы вторичной структуры, пространственной организации и свое положение в МГСУ. Поэтому МС в целом характеризуют семейства изофункциональных макромолекул. Дальним отзвуком этих свойств, по-видимому, являются закономерности типа закона гомологических рядов Н.И. Вавилова (1968).

Соотношение различных групп мутаций в МС является основным фактором, определяющим тип режима макроэволюции определенного гена (Ratner, 1988):

а) полностью нейтральный спектр (псевдогены, некодирующие спей-серы, интроны, вырезаемые фрагменты, третьи позиции в кодонах (Ратнер и др., 1985) и т.д.) предопределяет нейтральный процесс с максимальной скоростью;

б) МС, содержащий только летали и нейтральные мутации, предопределяет нейтральный процесс с пониженной скоростью (тРНК (Ратнер и др., 1985) и др.);

в) спектр, где преобладают адаптивные мутации (центры контакта белков фага и бактерии, вируса и антитела хозяина (Родин, Ратнер, 1982 а,б; Ратнер и др., 1985; Ratner, 1988) и т.п.), предопределяет высоко-адаптивный и очень быстрый процесс коэволюции соответствующих генов;

г) спектр, где содержатся в достаточных долях все типы мутаций, предопределяет возможность смены адаптивного и нейтрального режимов эволюции - в зависимости от условий среды.

Нейтрально-адаптивная часть МС может быть "широкой", когда доля таких мутаций велика. Это близко к варианту неопределенной дарвиновской изменчивости. Тогда становится реальным слабоограниченный процесс адаптивной (дарвиновской), нейтральной или смешанной эволюции. В этом случае в филогенетических деревьях трудно различать адаптивные и нейтральные мутации. Вклады их в суммарную скорость эволюции имеют разные весовые коэффициенты (Ратнер и др., 1985; Ratner, 1988).

K=Mn+2Ne*2s*Mad     (1)

У нейтральных мутаций весовой коэффициент равен 1, а у адаптивных - 2Nc. Поэтому даже малая доля адаптивных мутаций в МС может дать существенный вклад в скорость фиксации замен.

Примером является дивергенция надсемейства глобинов (Ратнер и др., 1985; Ratner, 1988). Оцененный потенциальный спектр мутационных и адаптивных замен достаточно "широк", содержит заметные доли нейтральных и адаптивных замен. В целом процесс эволюции и дивергенции глобинов (рис. 2) имеет участки с повышенной на порядок величины скоростью фиксации замен (эпоха выхода позвоночных на сушу - 400-500 млн. лет назад), когда можно предполагать повышенный вклад адаптивных мутаций. В то же время, присутствует длительный период, когда среди фиксированных мутаций преобладали, по-видимому, нейтральные замены.

Если нейтрально-адаптивная часть МС "узка", то это проявляется как "канализованная изменчивость". Тогда в чисто нейтральном случае как бы предзадано нейтральное случайное блуждание в узких пределах возможностей. При наличии адаптивных мутаций это означает "канализо-ванность" отбора в наперед заданном ("мутационным спектром") направлении. Внутренние ограничения мутационных спектров могут тогда как бы предопределять направление отбора.

Примером такого нейтрального блуждания является эволюция т-РНК (Ратнер и др., 1985; Ratner, 1988). Мутационный спектр т-РНК фен дрожжей содержит в среднем 2% нейтральных замен, остальные - детальны. Вторичная структура т-РНК ("клеверный лист") высококонсервативна, скорость эволюции низка. Молекулы т-РНК сохраняют свои кодирующие функции миллиарды лет. Примером узкого адаптивного спектра является спектр центров контакта гемоглобинов животных (Ратнер и др., 1985; Ratner, 1988), когда мутации, повышающие взаимное сродство а- и р- субъединиц гемоглобина высокоадаптивны и накапливаются с наибольшей скоростью (рис. 2). Они формируют четвертичную структуру гемоглобинов, которая в дальнейшем стабилизируется.

При феноменологическом анализе таких процессов может показаться, что мы имеем дело с номогенетическим или ортологическим процессом эволюции, хотя механизмы явления не выходят за рамки сказанного выше и не означают наличия какой-то дополнительной внутренней "силы" или "стремления к гармонии".

4. МОДУЛЬНЫЙ (БЛОЧНЫЙ) ПРИНЦИП ОРГАНИЗАЦИИ И ЭВОЛЮЦИИ МАКРОМОЛЕКУЛ И МГСУ

В классической генетике и эволюционной теории вопрос о существовании каких-то пределов изменчивости фактически не рассматривался. Оценки размеров последовательностей генов, белков (до 103 мономеров) и геномов (до 107 у прокариот и 1010 - у эукариот) породили несколько парадоксальных ситуаций. Дело в том, что уже цепочка белка длиной в 100 мономеров при 20 типах канонических аминокислот способна иметь ~10130 вариантов. Поэтому вероятность найти каждый конкретный вариант в эволюционном процессе путем случайного перебора последовательностей совершенно ничтожна ( ~10-130) и нереализуема в любых сколько-нибудь правдоподобных условиях существования жизни. А возникновение геномов полностью недостижимо на этом пути.

Единственным решением этого парадокса является отказ от идеи случайного перебора и переход к модульному (блочному) принципу организации биополимеров, и комбинаторному принципу их изменчивости. Эта идея уже давно обсуждается в различных вариантах (Ohno, 1984; Ратнер и др., 1985; Blake, 1986; Gilbert, 1987; Holland, Blake, 1987; Kamp, 1987; McLachlan, 1987; Ohno, 1987; Brenner, 1988; Ratner, 1990). Можно ее сформулировать в следующей форме (Ратнер и др., 1985; Ratner, 1990): основным принципом возникновения и эволюции генов, РНК, белков и их систем является блочность (модульность) комбинирования снизу доверху, причем блоками (модулями) служат функционирующие компоненты, фрагменты уже существующих макромолекул и их систем. Фактически этот принцип является развитием идеи "Тинкеринга" Ф. Жакоба (Jacob, 1977), который писал: «Естественный отбор... действует как "умелец", который не знает точно, что собирается соорудить, но использует все, что попадается под руку».

Свидетельства блочно-модульной организации биополимеров и МГСУ быстро накапливаются. Перечислим лишь некоторые из них.

1. Первичные блоки макромолекул.

Согласно лабораторным экспериментам С. Фокса и др. (Fox, Nakashima, 1981), при нагревании сухих смесей аминокислот возникают разветвленные тепловые белки - проте-иноиды, имеющие неслучайный состав и порядок мономеров. Лизин-богатые протеноиды обладают большим разнообразием слабых каталитических свойств, в том числе литических и синтетических. Учитывая,что неразветвленные фрагменты имеют в среднем размер 10-11 остатков, ясно, что активность может быть присуща уже небольшим пептидам.

Компьютерный анализ случайных полипептидных последовательностей показал (Ptitsyn, 1986), что в них довольно легко обнаружить небольшие а-спиральные и В-подобные участки. Такие вторичные структуры занимают соответственно до 40 и 20% в структуре известных современных глобулярных белков (Ратнер и др., 1985).

В то же время, ясно, что в случайных нуклеотидных последовательностях исходные кодирующие фрагменты не могут быть большими, так как терминальные сигналы (их 3 из 64 кодонов) должны встречаться в среднем начиная с длин 20-30 кодонов (60-90 н.). В структуре случайных полинуклеотидов довольно вероятны также небольшие прямые и инвертированные повторы, а значит, небольшие "шпильки" вторичных структур (Solovyov et al., 1984).

Хотя этих данных, конечно, недостаточно, они все же свидетельствуют об относительно вероятном возникновении наименьших фрагментов полипептидов и полинуклеотидов, способных выполнять примитивные каталитические и структурные функции. Развитые функции могут быть сформированны только в достаточно длинных последовательностях (многие десятки и сотни мономеров). С ростом длины цепей (L) катастрофически падает вероятность их случайного возникновения ( ~4-L - для полинуклеотидов и 20-L - для полипептидов). Поэтому кратчайший путь от относительно ограниченного разнообразия первичных фрагментов к большому разнообразию семейств макромолекул - это комбинаторика первичных фрагментов, уже обладающих первичными функциями. С. Оно и др. (Ohno, 1984, 1987) оценили разнообразие исходных олигомерных повторов ~102, из которых путем комбинаторики сформировались белки всех семейств.

2. Надсемейства генов и белков.

Надсемействами, по Дайхоф (Atlas..., 1972-1978), называют группы изофункциональных макромолекул имеющих не более 85-90% различий певичных структур и значительно более консервативные пространственные структуры. Согласно представлениям Дайхоф и Цукеркандля (Zuckerkandl, 1975), число надсемейств белков в живой природе не очень велико ( —500-1000), причем большинство из них возникло в эпоху первичных клеток (~3,5 млрд лет назад) из небольшого разнообразия исходных пептидов. Поэтому разные надсемейства должны сохранять следы общих первичных пептидов. Оно и др. (Ohno, 1984, 1987) нашли в первичных структурах ряда белков небольшие сходные пептиды. Об этом же говорит наличие разнообразных прямых и инвертированных повторов внутри генов (Solovyov et al., 1984; Ратнер и др., 1985).

Белковые глобулы могли возникнуть только путем заметного удлинения полипептидных цепей за счет структурных элементов, способных к компактной упаковке, образованию полости каталитического центра и т.д., т.е. путем блочных перестроек и дупликаций (Koshland, 1987; Brenner, 1988). В современных белках найдено множество несовершенных повторов. Например, в структуре флаводоксина более 20 раз повторяется "мотив" из 5 аминокислот KGADV (Kobayashi, Fox, 1978). Многочисленные прямые и инвертированные повторы найдены в генах РНК-полимеразы и 16s p-PHK E.coli, РНК-полимеры фага Т7, генов гемоглобинов эукариот и др. (Solovyov et al., 1984; Ратнер и др., 1985).

3. Экзон-интронная структура эукариот.

Гены эукариот (а также частично архебактерий) имеют разрывную экзон—интронную структуру (рис. 3). Кодирующие участки - экзоны имеют ограниченный размер (в среднем ~ 120-150 н.п.), тогда как интроны могут иметь размер до 50 тыс. н.п. (Gilbert, 1987). Число экзонов пропорционально длине белка (Blake, 1986). Первоначально Джилберт предположил, что экзоны кодируют компактные области белка с автономной функцией - домены. Однако в дальнейшем стало ясно, что экзоны чаще кодируют элементы пространственной структуры (рис. 4): В-структуры, 8-листы, промежуточные субструктуры упаковки, сигнальные (лидерные) пептиды (Blake, 1986; Doolittle, 1987; Go, Nosaka, 1987) и др. Домены,как правило, кодируются несколькими экзонами (Blake, 1986).

Дубликации доменов играют важную роль в усложнении внутренней структуры многих белков: ферредоксинов, паральбумина, роданезы, гексокиназы, кристаллинов, химотрипсина, иммуноглобулинов и др. (Kobayashi, Fox, 1978; McLachlan, 1987).

4. Блочность сворачивапия РНК и белков.

Блочная структура глобулярных белков отражается на процессе их сворачивания (самоорганизации) (рис. 5). Известно, что после синтеза первичной последовательности (или даже в процессе синтеза) формулируются р-спирали, В-структуры, В-повороты, В-листы и т.д., которые далее поэтапно взаимодействуют, быстро образуя компактную глобулу (Птицин, 1973; Wetlaufer, 1973). Перебора возможных конформаций практически нет. Нативная глобула отвечает локульному минимуму свободной энергии.

Сходный процесс самоорганизации осуществляется также при формировании вторичной структуры функциональных и геномных РНК (т-РНК, р-РНК и др.) (Ратнер и др., 1985). Здесь блоками являются инвертированные повторы, образующие большие и малые "шпильки" и спиральные участки.

5. Гены и белки новых семейств.

Предполагается, что более поздние надсемейства возникли не заново, а путем комбинирования крупных фрагментов генов и белков из уже имеющихся первичных надсемейств (Atlas..., 1972-1978; Zuckerkandl, 1975). По данным Дайхоф и др. (Barker et al., 1978), среди 163 полипептидных последовательностей из 116 надсемейств статистически значимые внутренние повторы найдены только в 20 надсемействах. Остальные, видимо, формировались не путем внутригенных дупликаций, а путем межгенного комбинирования фрагментов. Например, гены а-, Р- и других глобинов содержат по 3 экзона, разделенных двумя интронами, 2-й экзон кодирует фрагмент, формирующий генный карман, а два других - фрагменты, усиливающие связывание кислорода (Blake, 1981). Вероятно, они присоединились вторично.

Значительная часть гена рецептора LDL (липопротеина низкой плотности) построена из экзонов других генов (Slidhof et al., 1985). Фрагмент 400 а.-к. имеет 33% гомологии с предшественником эпидермального фактора роста (EGF). Здесь содержатся 8 экзонов. Ферменты, взаимодействующие с АТФ или другими нуклеозид-три(ди)-фосфатами, имеют повторяющиеся домены (40-50 а.-к.), слабо гомологичные друг другу, но явно происходящие путем дупликаций от общего предкового примитивного белка, обладавшего этой функцией. Сюда относятся такие различные ферменты, как аденилаткиназы, субъединицы е и у Fi-АТФазы, амино-ацил-тРНК-синтетазы, коровый фермент РНК-полимеразы (Ohnishi, 1986). 10 белков коагуляции крови и фибрииолизиса содержат 36 малых модулей (блоков) трех разных типов, причем белки не образуют группу дивергенции от общего предка (Blake et al., 1987) (рис. 6).

В целом ясно, что экзон-интронная структура генов и блочно-доменная структура белков позволяют вести межгенное комбинирование фрагментов различного происхождения, особенно при возникновении новых семейств (Gilbert, 1987).

6. Супергены и мультигенные семейства.

У эукариот многие гены дублированы, т.е. образуют мультигенные семейства, или имеют более сложную фрагментарную структуру. Так, у человека семейство глобинов содержит свыше десятка генов и псевдогенов, локализованных несколькими тесными тандемными группами ( а -подобные, р -подобные, миогло-бины) (Fa-Ten-Kao, 1985). Многократно повторены гены р-РНК, т-РНК, гистонов, интерферонов, гормона роста, актинов, тубулинов (Fa-Ten-Kao, 1985) и т.д. В мультигенных семействах (особенно тандемных) идут сложные внутренние процессы дупликации, дивергенции, конверсии, неравного кроссинговера и т.д., которые создают или нивелируют разнообразие генов.

Супергены,

занимающие тандемно до 200 кб ДНК, содержат многократные фрагменты генов. Например, у человека, супергены легких и тяжелых иммуноглобинов содержат участки вариабельных (V) сегментов, константных (С) сегментов, соединительных сегментов (J), лидерньтх участков (L), межгенные интервалы, знаки рекомбинации, сплайсинга, энхансеры и другие элементы управления (Fa-Ten-Kao, 1985; Родин, Ржецкий, 1989) (рис.7). Из всего этого многообразия генетических сегментов путем комбинаторики формируется первичное разнообразие антител ( ~ 109 вариантов), достаточное для узнавания практически любого наперед заданного антигенного детерминанта.

Таким образом, разнообразие мультигенных семейств и супергенов также формируется блочным путем.

Продолжая этот обзор, необходимо упомянуть также:

а) Мобильные генетические элементы

(МГЭ) - автономные сегменты воспроизведения и транспозиции, влияющие на работу смежно расположенных генов и содержащие в себе различные знаки пунктуации и управления. МГЭ может составлять до 10% генома (Charlesworth, Langley, 1989). Число копий мобильного элемента Alu у человека ~(5-8) • 105 (Fa-Ten-Kao, 1985);

б) Функциональные модули фагов

- группы смежно расположенных генов, выполняющих общую функцию (Ратнер и др.; 1985; Kamp, 1987). Считается, что модули способны обмениваться между разными фагами и являются элементами геномной комбинаторики;

в) Многочисленные другие модули разных уровней структуры и функции (Ратнер и др., 1985).

 

5. МУТАЦИОННЫЕ СПЕКТРЫ И БЛОЧНО-МОДУЛЬНЫЙ ПРИНЦИП: ЭВОЛЮЦИОННЫЕ ПОСЛЕДСТВИЯ

Прежде всего следует отказаться от классического представления о неопределенной, случайной изменчивости, где в каждом акте мутагенеза существенны только мутаген и позиция нуклеотида.Огромную роль играет контекст (Ратнер и др., 1985) в условиях, когда в клетке действуют механизмы репараций, рекомбинаций, транспозиций и др. Наличие прямых и инвертированных повторов резко увеличивает вероятность множественных замен, делений, дупликации, инверсий. Вероятности инсерций, выще-плений и транспозиций зависят от наличия специфических терминальных повторов (LTR), присущих мобильным генетическим элементам (Charles-worth, Langley, 1989). Через механизм теплового шока возможна стимуляция массовых перемещений МГЭ удрозофилы (Ratner, Vasilyeva, 1989).

Таким образом, роль повторов в изменчивости очень велика. Главное, что мы отметим, состоит в том,что повторы не только локализуют вблизи себя события изменчивости, но служат также внутренним источником дублирования генетического материала: амплификация, неравный кроссинговер, ретро-транспозиция МГЭ и др. (Ратнер и др., 1985). Эти процессы никак не связаны с отбором. Напротив, возможно полностью "эгоистическое" поведение таких автономных объектов, как мобильные элементы, которые размножаются независимо по внутренним неселективным причинам (Charlesworth, Langley, 1989). Поэтому возможно накопление в геномах неселективного генетического материала, ограниченное только общими требованиями метаболизма, хромосомных процессов и т.п.

Разумеется, умножение материала работающих генов может привести к функциональным последствиям, как это известно на примере супергена р-РНК (Frankham, 1988). Однако фактически здесь имеется лишь количественное действие; много или мало продукта. Поэтому возможность внутреннего (ортологического), контекстного влияния на исход эволюции хотя и существует, все же выглядит очень ограниченно.

Мутационные спектры функциональных модулей (блоков) имеют одну принципиальную особенность (Ратнер и др., 1985; Ратнер, 1990; Ratner, 1990): чем больше их функциональная нагрузка, тем "уже" их мутационный спектр и тем меньше потенциал дальнейшей адаптивной эволюции. Ясно, что любой модуль имеет верхний предел функциональной нагрузки. Достижение этого предела сопровождается "замораживанием" дальнейшей адаптивной эволюции. Такой модуль мы будем называть "заорганизованным".

В качестве примера фермента, достигшего максимальной каталитической функции и неспособного к дальнейшему эволюционному ее увеличению, можно привести TIM (триозо-фосфат-изомеразу дрожжей) (Hermes et al., 1987). Разумеется, это не исключает возможности приобретения ферментом некоторых других свойств, например специфических или регуляторньк.

Структура МГСУ в каждый момент имеет ряд ключевых, лимитирующих звеньев, блоков. Если они заорганизованы, то это существенно ограничивает возможности прогрессивной эволюции, так как адаптивная генетическая изменчивость по ним минимальна. Мы предполагаем, что преодоление таких лимитов можно осуществить, включив новый мощный источник изменчивости (Ратнер и др., 1985; Ратнер, 1990; Ratner, 1990). В соответствии с блочным комбинаторным принципом полагаем, что эта изменчивость должна производиться комбинаторикой уже функционирующих модулей (блоков). Этим самым образуется новый уровень организации МГСУ. Следствием таких событий является возникновение иерархической организации МГСУ (Там же). Ясно, что нижние уровни организации будут наиболее консервативны, а изменчивость их минимальна. Наиболее изменчивым и быстро эволюционирующим является верхний уровень, еще не достигший заорганизованности.

Иерархический комбинаторный источник изменчивости неисчерпаем, но он не связан с полным перебором возможных последовательностей и структур. Он ограничен в основном уже апробированными модулями и напоминает скорее конструктор, нс имеющий ограничений на сложность конструкции.

В качестве примера можно привести переход от гаплоидного прокариотического к диплоидному эукариотическому геному (рис. 8). Размер прокариотического генома имеет верхнюю границу -- 107-108 н.п., что связано с вероятностью мутаций ( ~10-7) (Batchinsky, Ratner, 1976; Ратнер и др., 1985). Информация упакована достаточно плотно. В этом смысле функциональная нагрузка генома высока. Резкое увеличение информационного содержания невозможно без резкого роста размера генома. Преодоление этой границы возможно с переходом к диплоидности - до 1014  - 1016, что еще не достигнуто природой. Диплоидность и есть эволюционное приспособление широкого профиля.

Другой пример - переход к многоклеточности (Ратнер и др., 1985). Можно показать (см. формулу (1)), что при уменьшении эффективной численности (2Ne) популяции на несколько порядков скорость фиксации нейтральных замен не изменится, а адаптивных - упадет пропорционально 2Ne. Иначе говоря, переход к многоклеточности лимитирован резким падением скорости адаптивной эволюции, идущим на основе обычной изменчивости. Кроме того, он сопровождается другими лимитами - опасностью мутационного вырождения и онкогенного перерождения соматических клеток.

Преодоление этого лимита организации многоклеточности происходит на пути возникновения новых комбинаторных источников именчивости (Ратнер и др., 1985): геном эукариот становится "рыхлым", содержит значительную долю некодирующего генетического материала; резко возрастает роль мобильных элементов; гены расчленяются на экзоны и интроны; возникает мощное дублирование генов и других повторов; наконец, на этой же основе возникает иммунная система, содержащая супергены для синтеза антител. Все эти факторы способствуют комбинаторике генов и генома в целом. В мутационных спектрах многих сложных генов начинают преобладать инсерции, транспозиции и перестройки - над обычными заменами нуклеотидов. Рыхлость генома с участием всех этих механизмов и есть эволюционные приобретения широкого профиля, открывающие дорогу к многоклеточности.

Иерархичность структуры МГСУ приводит к интересному следствию. Верхний уровень организации (многоклеточность, онтогенез, тонкое управление клеточными делениями в морфогенезе и т.д.) является наиболее высокоорганизованным. Базовый метаболизм клеточного уровня в основном контролируется генами нижеследующих уровней. Поэтому в мутационном спектре таких МГСУ будет группа мутаций (весьма разнородных), нарушающих организацию только верхнего уровня, но сохраняющих базовый метаболизм и организацию клеточного уровня. К этой группе относятся онкогенные мутации и другие нарушения. Действительно, известно (Varmus, 1988) несколько десятков онкогенов, гомологичных генам довольно известных ферментов, участвующих в организации клеточных делений в процессах дифференцировки: факторы роста, их рецепторы, переносчики сигналов, протеин-киназы, регуляторы транскрипции. Дефекты, вызывающие онкогенное перерождение, весьмя различны, как и типы опухолей. Их объединяет только одно свойство — дефект высшего яруса организации при сохранения свойств клеточного и нижестоящих уровней. Поэтому не может быть единого средства борьбы с опухолями, кроме иммунной системы, настроенной как раз на полное разнообразие изменений.

6. ЛИМИТИРУЮЩИЕ ФАКТОРЫ И РЕЖИМЫ ЭВОЛЮЦИИ

В сложных динамических системах всегда существуют лимитирующие звенья, параметры функционирования которых непосредственно сказываются на выходных параметрах системы (Ратнер, 1975, 1990). В МГСУ существуют лимитирующие гены, блоки, модули, изменчивость которых непосредственно проявляется в признаках организма. Существенно, что лимитирующие гены составляют лишь меньшую часть, большинство остальных генов функциональны, но не лимитируют, забуферены.

Эти системные свойства взаимодействующих генов накладывают очень существенный отпечаток на особенности их эволюции (Ратнер, 1975, 1990). Дело в том, что непосредственно проявляются и, значит, подвержены селекционной оценке только лимитирующие гены и другие модули. Нелимитирующие гены не оцениваются, т.е. эволюционируют нейтрально. В мутационных спектрах лимитирующих генов могут присутствовать любые группы мутаций; у нелимитирующих - только летальная и нейтральная группы. Кроме того, в результате мутаций возможна утрата лимитирования одним геном и приобретение другим. При этом сразу же изменяются их мутационные спектры.

Таким образом, большинство генов длительно эволюционируют в нейтральном режиме только потому, что они не лимитируют. Нейтральная эволюция становится естественным состоянием большинства генов и других модулей МГСУ. Адаптивная эволюция становится возможной только для лимитирующих генов, а если учесть внутреннюю их функциональную топографию, то только для некоторых их функциональных центров.

В популяционной генетике известна дилемма Холдейва (Haldane, 1957; Ратнер, 1977; Ратнер и др., 1985), которая утверждает, что геномы не могут быстро адаптивно эволюционировать сразу по многим генам, потому что это создает колоссальные селективные потери, которые невозможно компенсировать естественной плодовитостью. Существование лимитирования генов и других модулей позволяет снять остроту этого ограничения. Действительно, эволюция систем взаимодействующих генов может происходить по "эстафетному" принципу (Ратнер, 1990) (рис.9). Адаптивная селекция аллелей лимитирующего гена в конце концов снимает его лимитирование, но тогда лимитирующим становится другой ген, с которым события повторяются. Таким образом, эстафета лимитирования может обойти поочередно всю группу генов, улучшив ее адаптивные показатели в целом. Этот процесс может быть достаточно быстрым, без больших селективных потерь.

Интересно отметить группу модульных свойств, которые могут лимитировать воспроизведение всегда или в течение очень долгого периода.

Это многие свойства геномов, если геном рассматривать как один из модулей МГСУ (Ратнер и др., 1985). Такие свойства геномов, как кольцевая форма, состав, сцепление, противоположная ориентация репликонов, помехоустойчивость и плотность кодирования информации и тому подобные общие свойства, могут быть выгодны в любых условиях внешнего существования. Тогда даже малое адаптивное преимущество или мутационное давление могут в течение долгого периода лимитирования реализовываться в существенное изменение параметров воспроизведения.

7. ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В МГСУ И МУТАЦИОННЫЕ СПЕКТРЫ

Наличие в МГСУ обратных связей между молекулярным признаком и геном, различными генами и т.д. накладываает существенный отпечаток на мутационные спектры и режим эволюции.

Сначала упомянем расхожие примеры. Отрицательные обратные связи в индуцируемых и репрессируемых оперонах позволяют поддерживать заданную концентрацию метаболита, которая имеет адаптивное значение (Ратнер, 1957; Savageau, 1976). Мутации в лимитирующем гене оперона могут уменьшать или увеличивать активность ферментов, но ком-пенсаторный механизм подавляет их проявление. Иначе говоря, мутационный спектр лимитирующего гена становится ближе к нейтрально-летальному (Волькенштейи, 1985). Как показал И.Н. Шиндялов (1988), само образование отрицательных обратных связей в оперонах выгодно при стабилизирующем отборе и не выгодно при направленном отборе.

Положительные обратные связи играют другую роль. Такая связь в иммунной системе между эффективным ответом и системой размножения соответствующих иммунных клеток приводит к их клональной селекции. В результате очень быстро избирательный ответ становится существенно размноженным, макроскопическим, хотя и ненаследуемым. Анализируя явления функционального импринтинга метаболических локусов у животных, Р.И. Салганик (личное сообщение) предложил, что длительная сильная функциональная нагрузка через Положительную обратную связь приводит к амплификации соответствующего локуса, которая сохраняется в соматических тканях в индивидуальной жизни. Это как бы адекватное изменение генома на внешнее воздействие. Правда, фактически для такого изменения уже имеется стандартный генетический механизм.

В последние годы сенсацией стала работа Кернса и др. (Cairns, 1988), обнаруживших в lac-опероне Е. coli неслучайную компоненту изменчивости в присутствии эффектора (субстрата — р-галактозидов), индуцирующего оперон к транскрипции. Механизм явления пока неясен. Однако можно отметить, что, вообще говоря, если транскрипционная активность локуса способна изменить мутационно-репарационное его состояние, то можно избирательно изменять вероятности мутирования при помощи специфического метаболита. Здесь нет никакой мистики. Правда, при этом сам спектр остается прежним, хотя и более вероятным. Можно отметить также, что в дискуссии по этой работе (Charlesworth et al., 1988) предложено много соображений, которые могут объяснить явление за счет дополнительной селекции в присутствии лактозы.

Наконец, отрицательные обратные связи между двумя оперонами создают двухоперонный триггер (рис. 10) — систему с двумя наследуемыми устойчивыми функциональными состояниями. Примером реального триггера является система управления репликацией у фага лямбда (Ратнер, 1975; Ratner, Tchuraev, 1978), а наследуемого состояния — лизогения. Двухоперонный триггер имеет важное эвристическое значение, демонстрируя возможность построения неменделевского генетического модуля (наследование функционального состояния!) из типичных менделевских компонент (оперонов).

8. ОБЩИЙ ВЫВОД

Все указанные соображения и принципы, подкрепленные конкретными примерами, говорят о том, что видимые или кажущиеся парадоксы молекулярной генетики и молекулярной эволюции вовсе не требуют полной смены методологии. Все они успешно объясняются при более углубленном описании особенностей МГСУ (мутационные спектры, лимитирующие факторы, модульно-блочная организация, обратные связи и т.д.). В результате неканонические свойства объясняются вместе с каноническими. Выбор МГСУ в качестве множества объектов теории молекулярной эволюции является тем эвристическим приемом, который адекватно описывает реальные свойства эволюционирующих систем.

Таким образом, вполне оправдываются слова: "Не надо объяснять непонятное неизвестным" (Н.В. Тимофеев-Ресовский — из частных бесед и выступлений).

Рекламные ссылки

http://prof-medicina.ru/