Полезные мутации переключателей

Устойчивость к ядам, вирусам, бактериям и прочим паразитам, защитная окраска, превращение опадающих семян в неопадающие — все это примеры простых адаптаций, для развития которых бывает достаточно одной-двух удачных мутаций, поддержанных отбором. Более глубокие преобразования складываются из десятков и сотен подобных «мелочей». Одна простая полезная мутация может изменить ландшафт приспособленности для организма (или вывести его в новую область этого ландшафта) — например, изменить взаимоотношения организма со средой, сделав возможной жизнь в условиях, доселе неприемлемых, — и в результате какие-то другие мутации, прежде бывшие вредными, станут полезными и рано или поздно зафиксируются, открыв возможности для новых изменений.

Поскольку для крупных эволюционных преобразований требуется последовательное закрепление множества мутаций, такие изменения трудно «расшифровать» на молекулярном уровне, а уж пронаблюдать воочию и вовсе невозможно из-за длительности процесса. Те случаи, которые все-таки удается расшифровать, — это, по-видимому, редкие, нетипичные случаи, когда крупное изменение обеспечивается всего несколькими мутациями. Но такие случаи есть, и мы пока не знаем наверняка, так ли уж мала их роль на больших — эволюционно значимых — отрезках времени. Мы познакомимся с одним из таких случаев, когда всего две мутации обеспечили интересное и важное адаптивное приобретение у многоклеточного животного — нематоды (круглого червя). В результате двух мутаций нематоды приобрели способность к самооплодотворению — стали гермафродитами. Этот пример важен нам также для того, чтобы показать, как в ходе эволюции подстраиваются друг к другу разные гены, регулирующие определенную функцию.

У большинства нематод, как и у многих других животных, пол определяется генетически, при помощи половых хромосом. Если в оплодотворенном яйце две X-хромосомы, из яйца разовьется самка, если одна — самец ( Haag, 2005 ). Однако у двух наиболее изученных видов нематод, Caenorhabditis elegans и C. briggsae , особи с двумя X-хромосомами — не самки, а гермафродиты. Их гонады (половые железы) на поздних личиночных стадиях производят спермии. Нематоды утратили в ходе эволюции жгутики, поэтому и спермии у них безжгутиковые. Они похожи на амеб и передвигаются при помощи псевдоподий. У гермафродитов безжгутиковые спермии поздних личинок переползают в специальные хранилища — сперматеки — и здесь ждут своего часа. Гонады взрослых гермафродитов производят уже не спермии, а яйцеклетки. Они могут быть оплодотворены как собственными спермиями из сперматеки, так и спермиями самца в результате спаривания.

Предки C. elegans и C. briggsae были нормальными раздельнополыми червями. Это следует, в частности, из того, что все прочие виды рода Caenorhabditis — раздельнополые. По-видимому, гермафродитизм у C. elegans и C. briggsae является «эволюционно молодым», новым признаком. Чтобы разобраться, как он возник, понадобились выдумка, знание геномов нескольких видов нематод и эксперименты, осуществленные американскими биологами ( Baldi et al., 2009 ). Вот как это было.

Для начала уточним, какие гены работают при формировании половых различий у нематод. Наличие одной (а не двух) X-хромосом у самцов служит триггером, включающим синтез белка HER-1, который ингибирует белок TRA-2. Подавление активности TRA-2 через пару промежуточных шагов приводит к уничтожению белка TRA-1, функция которого состоит в том, чтобы отключать ряд ключевых генов, направляющих развитие по «мужскому» пути (в том числе ген fog-3 , контролирующий сперматогенез) [29]. У гермафродитов белок HER-1 не образуется, но они все равно производят спермии, потому что активность гена tra-2 на стадии личинки подавляется белками FOG-2 и GLD-1. Таким образом, гермафродиты получаются из-за введения в игру дополнительного правила, связанного с регуляцией гена tra-2 .

Запутались? Ничего страшного, это в порядке вещей. Регуляторные сети, управляющие развитием животных, как правило, сложны, громоздки и неоптимальны [30]. К счастью, их не нужно учить наизусть никому, кроме студентов соответствующих специальностей. Чтобы облегчить дело, можно представить устрашающее описание из предыдущего абзаца в виде графической схемы (см. следующую страницу).

На таких схемах стрелочками обозначают положительные влияния (включение гена, активация белка), а «тупичками» — отрицательные (ингибирование белка, подавление активности гена).

Так вот, зная все это, исследователи подумали, что можно попробовать превратить самок раздельнополого вида C. remanei в гермафродитов, подавив активность какого-нибудь гена, блокирующего сперматогенез. Например, гена tra-2 .

Начали они с того, что отключили tra-2 при помощи РНК-интерференции [31]. В результате из яиц с двумя X-хромосомами развились вместо самок обыкновенные самцы, производящие нормальные спермии, но никаких яйцеклеток.

Схема регуляции развития пола у нематоды C. elegans , у которой вместо самок гермафродиты.

Тогда ученые справедливо рассудили, что они, видимо, перестарались. Ведь у настоящих гермафродитов активность гена tra-2 хоть и снижена, но не до нуля. Когда эту ситуацию удалось воспроизвести у C. remanei , уменьшив экспрессию tra-2 , на свет появились животные, которых авторы назвали псевдогермафродитами . Тело у них было «женское», но в гонадах формировались одновременно и яйцеклетки, и спермии. Правда, эти существа оказались неспособны к самооплодотворению (отсюда и приставка «псевдо»). После скрещивания с самцом превдогермафродиты откладывали оплодотворенные яйца, хоть и в меньшем количестве, чем обычные самки. Это значит, что яйцеклетки у них более или менее нормальные, а неспособность к самооплодотворению, скорее всего, объясняется дефектами спермиев.

Действительно, спермии псевдогермафродитов оказались нормальны по всем параметрам, кроме одного: они неактивны, никуда не ползут, и в частности не перебираются в сперматеки.

У обычных нематод спермии активируются (начинают ползать) под воздействием белков, содержащихся в семенной жидкости. Сохранили ли спермии псевдогермафродитов способность активироваться под действием этих белков? Чтобы это проверить, авторы скрещивали псевдогермафродитов с самцами C. elegans . Самцы C. elegans охотно спариваются с самками C. remanei , но эти браки бесплодны (как-никак два вида разошлись, судя по показаниям молекулярных часов, около 80 млн лет назад, а для развития генетической несовместимости обычно хватает нескольких миллионов лет [32]). Идея такого спаривания как раз и состояла в том, чтобы половые клетки от разных видов не сливались, но при этом псевдогермафродиты могли получить нормальные белки семенной жидкости.

И когда после этого адюльтера псевдогермафродиты C. remanei отложили оплодотворенные яйца, некоторые из них оказались жизнеспособными! Из них вывелись нормальные самки C. remanei (не псевдогермафродиты, потому что им никто не подавлял активность гена tra-2 ). Это означает, что спермии у псевдогермафродитов получились нормальными, не хватает только активирующих белков.

Это открытие сузило круг потенциальных генов-мишеней, на которые нужно воздействовать, чтобы превратить псевдогермафродитов в полноценных гермафродитов. «Подходящим» геном оказался swm-1 , который кодирует белок, подавляющий активность других белков — протеаз, активирующих спермии. Ген swm-1 отвечает за предотвращение преждевременной активации спермиев у самцов C. elegans , но у него есть и другие функции. Ученые понизили активность этого гена у псевдогермафродитов — и те, к большой радости исследователей, приобрели способность к самооплодотворению.

Таким образом, для появления нового признака — гермафродитизма — достаточно уменьшить активность двух генов, входящих в два разных регуляторных каскада. Для этого нужны две мутации. Изменение активности того или иного гена в результате случайной мутации — дело самое обычное. Проблема в другом: одновременное возникновение двух мутаций, полезных только вместе, но не по отдельности, крайне маловероятно. Могли ли они появиться последовательно или это равносильно преодолению пропасти в два прыжка? Исследователи рассмотрели два возможных сценария.

1. Сначала произошла мутация, уменьшившая активность swm-1 у самок, что позволяет активировать собственные спермии (если они есть). Эта мутация поначалу была нейтральной, потому что самки еще не умели производить спермии. В дальнейшем возникла мутация, понизившая активность tra-2 . Эта мутация сразу оказалась полезной (т. е. была поддержана отбором), потому что превратила самок в самодостаточных гермафродитов (о полезности гермафродитизма см. ниже). Но могла ли первая мутация не принести вреда, если известно, что ген swm-1 многофункционален? И вот тут-то на помощь приходит знание геномов изучаемых червей (недаром в последние годы биологи столько сил и средств тратят на прочтение геномов всевозможных тварей). Оказывается, в геномах раздельнополых видов есть только одна копия swm-1 , а у гермафродитных есть еще и вторая, немного отличающаяся копия. По-видимому, становлению гермафродитизма способствовала дупликация (удвоение) этого гена, что и позволило снять «адаптивный конфликт». Одна из копий изменилась, чтобы обеспечить активацию спермиев у гермафродитов, а вторая продолжила выполнение остальных функций [33].

2. Второй сценарий начинается с мутации, снизившей активность tra-2 . Это привело к появлению псевдогермафродитов. Лишь после этого возникла и закрепилась мутация, снижающая активность swm-1 . Однако псевдогермафродиты фактически являются всего лишь неполноценными самками: к самооплодотворению они не способны, а с ролью самок справляются хуже, чем настоящие самки. Поэтому на первый взгляд кажется, что отбор должен был отсеять первую мутацию. Но вспомним, что самки C. remanei привлекательны для самцов других видов, а спаривание с этими самцами дает им возможность самооплодотвориться. Эта особенность могла стать «мостиком», с помощью которого эволюционирующий вид сумел преодолеть опасный промежуточный этап и дождаться возникновения второй мутации. В некоторых ситуациях псевдогермафродиты, способные к самооплодотворению после спаривания с самцами других видов, могли иметь адаптивное преимущество — например, когда численность популяции критически снижалась.

Таким образом, при ближайшем рассмотрении оказывается, что червям не нужно было «преодолевать пропасть в два прыжка». Там все-таки были мостики.

Изменение активности гена в сторону уменьшения или увеличения может произойти в результате самых разных мутаций. Это могли быть мутации в регуляторных областях самих генов tra-2 и swm-1 , или мутации генов-регуляторов, управляющих их работой, или мутации регуляторов регуляторов, и т. д. Важно, что в такой ситуации — когда оказывается выгодно уменьшить или увеличить экспрессию какого-либо гена — вероятность того, что случайная мутация, меняющая активность гена, окажется полезной, а не вредной, приближается к 1/2, т. е. становится чрезвычайно высокой. Скорее всего, именно поэтому очень многие «прогрессивные» эволюционные преобразования, как теперь выясняется, были связаны с изменениями уровня активности генов, а не их белок-кодирующих последовательностей. Между прочим, это относится и к эволюции человека ( Gilad et al., 2006 ).

Появление новых признаков путем изменения активности генов — один из магистральных путей эволюции. Почему? Да прежде всего потому, что это просто. В инструкциях по устранению неисправностей в работе электроприборов неизменно присутствует «мудрый совет», раздражающий многих: проверьте, включена ли вилка в розетку. За ним кроется универсальный принцип: во многих случаях нужного эффекта можно добиться, манипулируя только выключателями и не развинчивая весь механизм.

Конкретные мутации, ответственные за снижение активности генов tra-2 и swm-1 у предков C. elegans и C. briggsae , возможно, были разными. Например, известно, что у гермафродитов первого вида в подавлении активности tra-2 участвует ген fog-2 , отсутствующий у второго вида. Предки C. briggsae утратили ген fog-2 , вероятно за ненадобностью. У этого вида ключевую роль в обеспечении нормального сперматогенеза у гермафродитов играет другой ген — she-1 . Этот пример показывает, что в ходе эволюции «переключатели» генетических регуляторных каскадов могут меняться, в то время как структура и функции каскадов остаются прежними.

Это относится и к механизмам определения пола. Разделение на самцов и самок есть у большинства животных. Соответственно, есть и генетические «программы» (большие и сложные) развития по мужскому и женскому пути. Однако переключатели, направляющие развитие по одному из двух путей, часто меняются в ходе эволюции. Например, у тех же нематод многие виды перешли от хромосомной детерминации пола к «средовой», т. е. пол у них зависит не от генов, а от условий, в которых проходит развитие. Мы теперь понимаем, что такие эволюционные изменения относятся к числу высоковероятных. Точно так же вы можете заменить кнопку электрического выключателя в своей комнате на систему последовательно и параллельно соединенных тумблеров, реле или повесить шнурок с кисточкой, не меняя при этом проводку и люстру. Управлять освещенностью, возможно, станет удобнее, но сам «фенотип» от этого не изменится: свет по-прежнему будет или включен, или выключен.

Ну и последнее: зачем вообще кому-то понадобилось переходить к гермафродитизму? Как могли мутации, превратившие самок в гермафродитов, оказаться полезными для предков C. elegans и C. briggsae ? Дело в том, что в некоторых ситуациях гермафродитизм дает очевидное преимущество [34]. Например, если участки, пригодные для жизни нематод данного вида, встречаются очень редко (это вполне справедливо для представителей рода Caenorhabditis ) и вероятность того, что хотя бы один червь попадет на новый, незаселенный участок, очень мала, то вероятность того, что на этот участок попадут сразу два червя — самец и самка, — будет и вовсе ничтожной. Естественно, в такой ситуации преимущество получат черви, способные размножаться без посторонней помощи, путем самооплодотворения. Или, на худой конец, с помощью самцов других видов.

Гены взаимной дружбы

В книге «Рождение сложности» немало говорилось об эволюционной роли симбиоза. На одних мутациях и отборе можно уехать далеко, но возможность комбинировать эволюционные «достижения» разных организмов в одном симбиотическом сверхорганизме открывает еще более впечатляющие перспективы. Впрочем, чтобы наладить с кем-то эффективный симбиоз, без мутаций и отбора тоже не обойтись. Такие договоры на гербовой бумаге не подписываются, тут нужно тщательно приладиться друг к другу.

Одним из таких межорганизменных «договоров» является симбиоз наземных растений с почвенными грибами и бактериями. Эволюционный успех наземных растений во многом был обеспечен именно этими взаимовыгодными отношениями: грибы и бактерии снабжают растение соединениями азота и фосфора, получая взамен углеводы, образуемые растением в ходе фотосинтеза. Ведь сами наземные растения так и не научились фиксировать азот.

Самой древней разновидностью такого симбиоза является микориза , известная в двух вариантах: более простая эктомикориза (гриб не проникает внутрь растительных клеток) и эндомикориза, или арбускулярная микориза, при которой гифы гриба врастают внутрь клеток корня. Судя по палеонтологическим данным, арбускулярная микориза существовала уже у древнейших наземных растений, робко пытавшихся освоить негостеприимную сушу 450 млн лет назад, в ордовикском периоде. Весьма вероятно, что без симбиоза с грибами эти попытки были бы обречены на провал — или, что еще вероятнее, их бы не было вовсе. Некоторые данные указывают на то, что симбиоз с грибами зародился у зеленых водорослей, предков наземных растений, еще в водной среде, что и обеспечило возможность освоения суши. О древности арбускулярной микоризы свидетельствует, помимо прочего, ее широкое распространение во всех группах наземных растений.

Помимо грибной микоризы пользуется спросом и симбиоз с азотфиксирующими бактериями. Отношения растений с азотфиксаторами тоже имеют древнюю историю, однако в большинстве случаев речь идет о внеклеточных бактериальных симбионтах. Только некоторые покрытосеменные (цветковые) растения сравнительно недавно научились культивировать бактерии внутри клеток своих корней, в особых органах — клубеньках. Клубеньковые симбиозы бывают двух типов: 1) симбиоз бобовых с ризобиями (бактериями из группы альфапротеобактерий); 2) актинориза — симбиоз с актинобактериями рода Frankia . Актинобактерии образуют многоклеточный мицелий наподобие грибов; раньше их относили к грибам и называли актиномицетами.

Клубеньковые симбиозы встречаются только в четырех группах (порядках) покрытосеменных: у бобовых ( Fabales ), розовых ( Rosales ), тыквенных ( Cucurbitales ) и буковых ( Fagales ), причем не у всех, а только у части представителей. Недавно на основе молекулярно-генетических данных было установлено, что эти четыре порядка представляют собой монофилетическую кладу, т. е. группу, происходящую от общего предка и включающую всех его ныне здравствующих потомков. Вероятно, у общего предка этой группы произошли какие-то генетические изменения, обусловившие возможность развития клубенькового симбиоза. Одни представители группы впоследствии воспользовались этой возможностью, другие нет.

Симбиоз бобовых с ризобиями изучен лучше, чем актинориза. Но у двух типов клубеньковых симбиозов обнаружилось много общего: по меньшей мере семь генов задействованы в обоих симбиозах. Эти гены получили название «общих генов симбиоза». По-видимому, при становлении клубенькового симбиоза была использована древняя генетическая программа, сложившаяся изначально для обслуживания внутриклеточного симбиоза с грибами. Для полноты картины хотелось бы уяснить, что же изменилось в генах при становлении тесных отношений с азотфиксаторами.

В 2008 году британские и германские биологи ( Markmann et al., 2008 ) взяли разные группы цветковых и проанализировали строение белков, кодируемых «общими генами симбиоза». Оказалось, что у всех цветковых большинство этих белков имеют почти одинаковую, «консервативную» структуру. И только один из них оказался вариабельным. Белок этот называется SYMRK (symbiosis receptor kinase). Он различается у клубеньковых растений, двудольных и однодольных.

Строение SYMRK, а точнее строение его доменной части ( домен — функциональная часть или блок белковой молекулы, содержащий узнаваемый аминокислотный «мотив»), говорит кое-что о специализации этого белка в клетке. У него есть, во-первых, трансмембранный домен, который, как видно из названия, располагается в толще клеточной мембраны (для белка клеточная мембрана и вправду толстая и вместительная). Во-вторых, внутриклеточная часть белка содержит домен протеинкиназы, функция которого состоит в переносе фосфата с АТФ на какой-нибудь белок. Этот процесс называется фосфорилированием. Таким способом многие рецепторные белки передают полученный извне сигнал внутрь клетки, поскольку фосфорилирование белков меняет их свойства — например, переводит их в активное состояние из неактивного. И трансмембранный домен, и домен протеинкиназы в белке SYMRK почти одинаковы у всех цветковых. Различия сосредоточены во внеклеточной части белка, которая выполняет рецепторную функцию, т. е. улавливает внешний химический сигнал. Исследователи выявили три варианта этой вариабельной внеклеточной части белка SYMRK:

1) «длинный вариант», характерный для растений, образующих клубеньки, и их близких родственников;

2) «средний вариант», характерный для дальних родственников клубеньковых растений;

3) «короткий вариант», характерный для однодольных.

Грибная арбускулярная микориза встречается у обладателей всех трех вариантов гена. Клубеньки любого типа (содержащие ризобии или актинобактерии) встречаются только у обладателей «длинного» варианта гена SYMRK. Очевидно, желающие приобрести клубеньки позаботились о своевременном распознавании дефицитных симбионтов. Длина нуклеотидной последовательности увеличивается за счет включения в ключевую область двух фрагментов (доменных мотивов) других генов. Оба эти фрагмента были не изобретены заново, а «заимствованы» у генов белков, имеющихся в геноме растений.

Очевидно, приобретение «длинного» варианта SYMRK как раз и было тем ключевым событием, которое создало предпосылки для развития клубеньковых симбиозов — причем «генетическая программа» клубенькового симбиоза представляет собой модификацию «генетической программы» арбускулярной микоризы. Это проверили в серии экспериментов.

В первом эксперименте у растения датиска ( Datisca glomerata ), корни которого в норме образуют арбускулярную микоризу и актиноризу, отключили ген SYMRK. В результате растение утратило способность к формированию обоих симбиозов — и с грибом, и с актинобактерией Frankia . Значит, ген SYMRK необходим и для грибного, и для бактериального симбиоза, у них единая генетическая основа.

Второй эксперимент показал, что ген SYMRK не служит для распознавания конкретных бактерий-симбионтов. Бобовое растение лядвенец японский ( Lotus japonicus ) образует клубеньки с бактерией-ризобией Mesorhizobium loti , а люцерна ( Medicago truncatula ) — с бактерией Sinorhizobium melioti . Мутантной люцерне с испорченным геном SYMRK , не способной формировать никакой симбиоз вообще, пересадили ген SYMRK от лядвенца. Эта операция полностью восстановила способность люцерны образовывать симбиоз. При этом трансгенная люцерна стала образовывать клубеньки со «своей» исконной бактерией Sinorhizobium , а вовсе не с Mesorhizobium . Также мутантному лядвенцу пересаживали ген SYMRK от других бобовых и их бесклубеньковых родственников, например настурции, и во всех случаях его пошатнувшиеся отношения со своим Mesorhizobium восстанавливались. Таким образом, SYMRK отвечает не за узнавание и выбор симбионта, а только за общую способность формировать внутриклеточный симбиоз с бактериями. Узнавание осуществляется другими белками, какими именно — пока не установлено.

В третьем эксперименте снова использовали мутантную форму лядвенца японского, не образующую ни арбускулярной микоризы, ни клубеньков. Растениям пересаживали «средний» вариант гена, взятый у помидора, и «короткий» вариант, позаимствованный у риса. В обоих случаях у мутантного лядвенца восстановилась способность к формированию арбускулярной микоризы, но не клубеньков. Следовательно, укороченные варианты гена SYMRK достаточны для грибной микоризы, но не для клубеньковых симбиозов.

Белок SYMRK необходим для формирования особых внутриклеточных структур — симбионтоприемников или «преинфекционных нитей», которые впоследствии заселяются симбиотическими бактериями (и тогда их уже называют «инфекционными нитями»). Похожие структуры образуются в клетках корней и для принятия грибных симбионтов (в случае арбускулярной микоризы). Сходство в строении этих симбионтоприемников отражает единство генетической программы, отвечающей за формирование всех трех типов внутриклеточного симбиоза: арбускулярной микоризы, симбиоза с ризобиями и актиноризы.

Полученные результаты подтверждают гипотезу, согласно которой способность к формированию клубеньковых симбиозов развилась на основе древней генетической программы арбускулярной микоризы. Ключевое эволюционное событие заключалось в том, что клетки корней приобрели способность реагировать формированием «симбионтоприемников» не только на присутствие симбиотических грибов, но и на близость азотфиксирующих бактерий. А если пристальней вглядеться в молекулярные подробности этого события, то увидим, что для этого понадобилось перенастроить рецепторную часть одного мембранного белка (SYMRK). Этот белок пристроил в свое пользование два дополнительных участка из других имеющихся под рукой генов. Можно сказать, что для налаживания симбиоза организмов использовался своеобразный молекулярный, генный симбиоз. Принципы конструирования нового схожи и на уровне молекул, и на уровне органов, организмов и популяций.

Возникновение клубеньковых симбиозов — исключительное по своей полезности приобретение, имеющее к тому же важное биосферное значение. Казалось бы, для такого «революционного» нововведения потребуется масса приспособлений, реорганизация больших областей генома. Но нет, понадобилось всего лишь научиться узнавать во внешней среде новый объект, а для этого — чуть-чуть видоизменить белок-рецептор. Когда речь идет о внешне сложной проблеме, помогает внимательное разглядывание подробностей (как в примере с белоногими хомячками, чья светлая защитная окраска складывается всего лишь из расширения светлой полосы на шерстинках): ключевое изменение зачастую оказывается простым и легкодостижимым.

—————