Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции - Кунин Евгений Викторович - Страница 27

Как отмечено в главе 3, все резко изменилось в 1977 году, когда Карл Вёзе с сотрудниками применил филогенетический анализ рРНК как основной метод изучения эволюции микробов и создания их таксономии (Woese, 1987). Возможности новой методологии были эффектно продемонстрированы открытием архей, по-видимому, первым крупным открытием в биологии, которое было сделано исключительно на основе анализа нуклеотидных последовательностей. За этим прорывом последовал период «бури и натиска» 1980-х и начала 1990-х годов, когда филогения рРНК была успешно применена для прояснения взаимоотношений среди многих групп прокариот. Среди молекулярных эволюционистов того времени превалировало мнение, что в принципе эти методы позволят точно реконструировать эволюцию микробов.

Однако дивный новый мир микробной эволюции оказался недолговечным – эволюционная геномика вновь запутала картину самым неожиданным образом. Первый полный бактериальный геном был секвенирован в 1995 году, а первый геном археи – в 1996-м[48]. Вскоре после этого прорыва установился экспоненциальный темп секвенирования геномов со временем удвоения около 20 месяцев для бактерий и около 34 месяцев для архей (см. рис. 3–1). Сравнительный анализ сотен секвенированных бактериальных геномов и десятков геномов архей привел к важнейшему выводу: микробы определенно эволюционируют, но их эволюция сильно отличается от той, что описана СТЭ (Doolittle, 1999b; Woese and Goldenfeld, 2009). Ключевым стало осознание того, что геномы прокариот ведут себя не так, как если бы они были стабильными, точно наследуемыми носителями генетической информации организма (вида). Геномы микробов оказались чрезвычайно динамичными, неоднородными образованиями, которые относительно стабильны лишь на коротких интервалах времени, имеют свою характерную скорость распада и существуют в динамическом равновесии между различными формами жизни, которые отличаются по принципам геномной организации. В «мире прокариот» эти взаимосвязанные и постоянно взаимодействующие формы жизни включают не только бактерии и археи, но также различные плазмиды, вирусы и другие мобильные элементы. В этой новой, динамической парадигме прокариотической эволюции традиционная концепция видов с четко определенным, стабильным геномом теряет существенную, если не большую часть своей применимости (Doolittle and Zhaxybayeva, 2009). Становится осмысленнее говорить о сериях «пангеномов» на всех уровнях, от пангенома, например, Escherichia coli или любого другого «вида» бактерий или архей, до пангенома всех прокариот (Lapierre and Gogarten, 2009; Mira et al., 2010).

В главе 3 мы уже обсуждали важные аспекты структуры генетической вселенной прокариот. Она рассматривалась в основном как сложный статичный объект, то есть в терминах распределения различных существенных переменных. В этой главе мы также рассматриваем распределения, но в основном пытаемся встать на динамическую точку зрения и исследовать мир прокариот в терминах потоков генов и взаимодействия между репликонами.

Размер и общая организация бактериальных и архейных геномов

Несмотря на огромные различия в образе жизни, а также метаболической и геномной организации, бактериальные и архейные геномы демонстрируют легко различимые общие архитектурные принципы (см. обзор в гл. 3). Секвенированные бактериальные и архейные геномы охватывают два порядка величины по размерам от около 144 Кб для внутриклеточного симбионта Hodgkinia cicadicola до примерно 13 Мб для обитающей в почве бактерии Sorangium cellulosum (Koonin and Wolf, 2008b). Примечательно, что бактерии демонстрируют бимодальное распределение размеров генома[49] с пиком в районе примерно 5 Мб и дополнительным плато в районе примерно 2 Мб (см. рис. 5–1). Хотя существует много геномов промежуточного размера, это распределение предполагает существование двух в достаточной степени разделенных классов бактерий с «малым» и «большим» геномами. К этим наблюдениям нужно относиться с известной осторожностью, так как они могут быть артефактом, обусловленным предпочтительным секвенированием небольших геномов (в первую очередь бактериальных патогенов), но с ростом числа секвенированных геномов такое объяснение становится все менее удовлетворительным.

Археи демонстрируют более узкое, но также сложное распределение размеров генома от примерно 0,5 Мб у паразита/симбионта Nanoarchaeum equitans до примерно 5,5 Мб у Methanosarcina barkeri, с острым пиком в районе 2 Мб, который практически точно соответствует расположению плато бактериальных геномов малого размера, вторым небольшим пиком около 3 Мб и тяжелым хвостом, соответствующим геномам большего размера (см. рис. 5–1). При этом смещения в базе данных опять могут быть существенными, так как в настоящее время геномов архей секвенировано примерно на порядок меньше, чем геномов бактерий, так что пока может быть еще просто недостаточно данных для выявления истинной формы распределения размеров геномов. Однако более вероятно, что археи действительно являются менее разнородной группой, как будет обсуждаться далее в данном разделе.

Все очень маленькие (менее 1 Мб) геномы бактерий и архей принадлежат бактериям-паразитам и внутриклеточным симбионтам эукариот и единственной известной архее-паразиту (или симбионту) Nanoarchaeum equitans, которая живет за счет другой археи, Ignicoccus hospitalis. Таким образом, кажется все более вероятным, что минимальный размер генома свободно живущего прокариота, по крайней мере автотрофа, который не зависит от других форм жизни для добывания пищи, немного превышает 1 Мб. Текущий рекорд редукции генома среди свободно живущих клеток, около 1,3 Мб, принадлежит фотосинтезирующей морской альфа-протеобактерии Pelagibacter ubique (SAR11), которая также является наиболее распространенной из известных клеточных форм жизни на Земле (Giovannoni et al., 2005). (Связь между размером популяции и размером генома потенциально важна, мы вернемся к этому вопросу в гл. 8.)

Рис. 5–1. Распределение размеров геномов среди бактерий и архей.

Как мы уже обсуждали в главе 3, бактериальные и архейные геномы характеризуются высокой плотностью белок-кодирующих генов, которые занимают большую часть ДНК. Бактериальные и архейные геномы демонстрируют одномодальное и довольно острое распределение плотности генов, большей частью 0,8–1,2 гена на Кб геномной ДНК (отсюда предельно простое эмпирическое правило: 1 ген на 1000 пар нуклеотидов). Архейное распределение по сравнению с бактериальным сдвинуто в сторону более высоких плотностей, таким образом, в среднем архейные геномы даже более компактны, чем бактериальные. Похоже, что как кодирующие, так и межгенные области у архей немного короче по сравнению с бактериями.

Таким образом, археи и бактерии весьма похожи в смысле характерных размеров и общей архитектуры геномов, но резко отличаются от эукариот, которые охватывают много больший интервал размеров генома, имеют белок-кодирующие гены, часто прерываемые интронами, и более длинные межгенные промежутки (см. гл. 8). Эти общие признаки бактерий и архей подтверждают концепцию «прокариотного принципа организации генома» (см. более подробно ниже).

Пространство-время прокариот и его эволюция

Фрактальное пространство-время генома, пангеномы и кластеризация прокариот

В главе 3 мы сосредоточились на трехкомпонентной структуре прокариотического геномного пространства, состоящего из ядра, оболочки и облака, и показали, что эта структура фрактальна. Одни и те же три компонента, а именно небольшое ядро, оболочка большего размера и огромное по сравнению с ними «облако», проявляются на любом уровне разбиения генного пространства, от мира прокариот в целом до совсем небольших групп бактерий (см. рис. 3-14). Непосредственным следствием этой фрактальности является важность «пангеномов» – всей общности генов, представляющих геномы, принадлежащие к кластеру архей или бактерий на данном уровне. Читатель может (и должен) немедленно спросить, что определяет кластеры и откуда берутся уровни. Пока предположим, что дерево рРНК Карла Вёзе (см. рис. 2–3) разумно описывает организацию пространства-времени мира прокариот и является по крайней мере одним из источников для кластеризации. В главе 6 мы обсудим применимость и смысл концепции древа жизни более глубоко и покажем, что дерево рРНК, хотя ни в коем случае и не является полным представлением истории эволюции прокариот, тем не менее вполне осмысленно.