Текст книги "Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий"

Автор книги: Александр Марков

Соавторы: Елена Наймарк
сообщить о нарушении

Текущая страница: 11 (всего у книги 37 страниц) [доступный отрывок для чтения: 14 страниц]

Как работает эпистаз

Еще об одном интересном результате Ленски и его коллеги сообщили в 2011 году ( Waads et al., 2011). Ученые проследили, как организмам удается иногда выходить из «ловушек локального оптимума». Трудно придумать гипотетическую схему, в которой популяция начнет спускаться вниз по ландшафту приспособленности, потому что впереди замаячит более перспективная вершина: ведь спустившиеся особи должны вытесняться менее прозорливыми и ушлыми конкурентами. Но жизнь настойчиво твердит, что ловушки локального оптимума преодолимы, а эксперименты показывают, как это происходит. В итоге победа в эволюционном соревновании достается не тем, кто лучше приспособился здесь и сейчас, а тем, кто, поначалу проигрывая, сохранил лучшие возможности для дальнейшей эволюции. И здесь помогает эпистаз.

Как мы помним, одно из достоинств эксперимента Ленски в том, что часть бактерий периодически замораживают и сохраняют в таком виде для дальнейших исследований. В любой момент их можно оживить и использовать в опытах. Это открывает потрясающие возможности. Например, можно напрямую сравнивать приспособленность ныне живущих бактерий, которые уже более 50 тыс. поколений эволюционировали в своих колбах под присмотром ученых, с их далекими предками. Кроме того, любое эволюционное событие, зарегистрированное в ходе эксперимента, можно многократно «проигрывать заново», размораживая предков и наблюдая, произойдет ли у них это событие снова. Это позволяет отделять случайные и маловероятные события от закономерных и высоковероятных.

Ленски и его коллеги «проиграли заново» эволюцию нескольких подопытных бактерий, замороженных по прошествии 500 поколений основного эксперимента. Все бактерии происходили из одной экспериментальной популяции. К 500-му поколению в этой популяции уже появилось несколько полезных мутаций, которые впоследствии достигли 100-процентной частоты. Кроме того, на этом этапе эксперимента, как и на любом другом, в популяции присутствовали обладатели менее удачных мутаций, которые впоследствии были вытеснены.

Напомним также, что бактерии были лишены генов, разрешающих горизонтальный перенос, так что обмениваться генами, комбинируя удачные варианты, они не могли. Это позволило генетикам выделить среди замороженных микробов поколения № 500 «будущих победителей» – бактерий, обладающих мутациями, которые впоследствии достигли 100-процентной частоты в популяции (будем называть их прапобедителями), и «будущих проигравших» – тех, чьи потомки впоследствии исчезли из популяции (или пралузеров). Выращивали по два штамма каждого типа, т. е. всего четыре линии, выведенные из двух прапобедителей и двух пралузеров.

Размороженные прапобедители имели полезные мутации в генах topAи rbs. Первый ген кодирует фермент топоизомеразу, который помогает расплетать и снова сплетать двойную спираль ДНК в ходе транскрипции (считывания генетической информации). От свойств топоизомеразы зависит активность многих генов. Второй ген, rbs, – это даже не ген, а целый оперон [53]53
  Оперон– группа генов, которые регулируются и считываются все вместе.


[Закрыть], отвечающий за усвоение рибозы.

Мутация topA, характерная для прапобедителей, сама по себе дает 13-процентный выигрыш в приспособленности по сравнению с исходным штаммом бактерий. Это было установлено при помощи генно-инженерных манипуляций: предку «пересадили» эту мутацию, не меняя остального генома, и устроили соревнование. Модифицированный штамм переиграл исходный.

Все мутации в опероне rbsпредставляют собой делеции (выпадения участков ДНК), дающие выигрыш в 1–2 %. В ходе эксперимента бактерий кормили чистой глюкозой, а не рибозой, поэтому потеря части рибозного оперона могла быть выгодна: она снижала расходы клетки на синтез лишних белков.

У обоих штаммов «проигравших» тоже была мутация в гене topA, но она отличалась от той, что была у прапобедителей. Авторы обозначили ее topA1. Она тоже полезна сама по себе, но повышает приспособленность не на 13, а только на 5 %. У одного из двух штаммов пралузеров была мутация в опероне rbs, и снова не такая, как у прапобедителей. Другие мутации ученым не открылись.

Для начала авторы сравнили приспособленность (скорость роста) штаммов прапобедителей и пралузеров. Казалось бы, у первых приспособленность должна быть выше. Как ни странно, результат оказался противоположным. Выяснилось, что пралузеры превосходят по приспособленности предковый штамм на 20–23 %, тогда как прапобедители опережают предка лишь на 13–15 %. Таким образом, на промежуточном зачете после 500 поколений пралузеры вырвались вперед, сильно обогнав «будущих победителей». Это, конечно же, означает, что у «будущих проигравших» имелись какие-то полезные мутации, которые ученым пока не удалось обнаружить, причем польза от них перекрывает известный выигрыш от мутаций topAи rbs.

Авторы рассчитали, что если бы репродуктивное преимущество пралузеров над прапобедителями, наблюдавшееся после 500-го поколения, сохранялось и впредь, то пралузеры полностью вытеснили бы прапобедителей примерно за 350 поколений, т. е. к 850-му поколению. Как мы знаем, этого не случилось. Все произошло наоборот. Очевидно, потомкам прапобедителей удалось менее чем за 350 поколений приобрести новые полезные мутации, которые позволили им обогнать потомков пралузеров в эволюционном соревновании. Естественно, возникает вопрос: почему потомки пралузеров сами не приобрели аналогичных мутаций, ведь у них было на это ровно столько же времени и хорошая фора?

Авторы предположили, что разгадка может скрываться в различном влиянии мутаций, имеющихся у прапобедителей и пралузеров, на дальнейшие эволюционные перспективы. Эффекты действия генов, в том числе и мутантных, накладываются друг на друга; напомним, что это явление называют эпистазом. Степень полезности той или иной мутации не абсолютна: она зависит от генетического контекста. Скажем, мутация А может быть полезной при наличии мутации Б, но вредной при ее отсутствии (или наоборот). Можно предположить, что полезные мутации, изначально обеспечившие быстрый рост приспособленности у пралузеров, снизили способность бактерий к дальнейшей адаптации. Например, они могли сглаживать или даже сводить на нет эффекты каких-то других, еще не возникших мутаций, полезных в других генетических контекстах. При этом мутации прапобедителей сами по себе были менее полезны, но зато они не закрыли дорогу для будущих приобретений.

Можно ли проверить эту гипотезу? Да! Генетики провели несколько остроумных экспериментов, в которых весьма наглядно показали счастливую мутационную судьбу прапобедителей и злополучную – пралузеров. Мутационное счастье заключалось в повышенной выгоде от новоприобретений, а злосчастье – в пониженной.

Для начала геномы бактерий каждого из четырех штаммов пометили точечными мутациями, не влияющими на приспособленность, но позволяющими различать штаммы по окраске [54]54
  Это мутация в гене Ara, ответственном за расщепление сахара арабинозы. В результате получили штаммы, способные и не способные расщеплять арабинозу (Ara+ и Ara−). Это удобный фенотипический маркёр, давно применяемый в эксперименте Ленски. Бактерий Ara+ и Ara− легко отличить друг от друга, добавив в среду арабинозу и специальный краситель: колонии бактерий Ara− при этом становятся красными, Ara+ – белыми. Состояние гена Araне влияет на приспособленность бактерий в условиях эксперимента.


[Закрыть]. Затем меченых (белых и красных) бактерий из одного и того же исходного штамма (либо прапобедителей, либо пралузеров) смешивали в соотношении 50:50 и позволяли эволюционировать в тех же условиях, что и в основном эксперименте. В каждом поколении регистрировалось соотношение белых и красных бактерий. До тех пор пока в эволюционирующей популяции не возникало новых полезных мутаций, это соотношение испытывало лишь небольшие случайные колебания под действием генетического дрейфа. Но, как только возникала первая полезная мутация, ситуация резко менялась. Фокус тут в том, что любая полезная мутация изначально возникает у какой-то одной бактерии. «Повезет» либо красной, либо белой бактерии. Потомки бактерии с полезной мутацией начинают быстро размножаться, и, соответственно, в популяции начинает расти доля либо белых, либо красных микробов (точнее, микробов, образующих белые или красные колонии на соответствующей среде). При этом ученые получают сразу две уникальные возможности: 1) с большой точностью поймать момент возникновения первой полезной мутации; 2) оценить степень ее полезностипо скорости, с которой соотношение красных и белых будет отклоняться от исходного 50:50.

Нужно подчеркнуть, что речь здесь идет только о первойполезной мутации. Пока полезная мутация всего одна, соотношение белых и красных уходит от исходного состояния по экспоненте и всю ситуацию можно анализировать при помощи достаточно простой математики. Как только появляется вторая полезная мутация, картина становится слишком сложной.

При помощи этой великолепной методики авторы показали, что скорость появления полезных мутаций в линиях прапобедителей и пралузеров одинакова, однако средняя полезностьпервой полезной мутации, возникающей в штаммах прапобедителей, заметно выше, чем у пралузеров. Иными словами, экспоненциальный рост или снижение соотношения белых и красных у прапобедителей в среднем шли быстрее, чем у пралузеров, вплоть до появления второй полезной мутации, которая «смазывала» картину. У победителей первая полезная мутация повышала приспособленность в среднем на 6 %, а у лузеров – только на 4 %. В прямых конкурентных экспериментах между прапобедителями и пралузерами выяснилось, что первые теперь в среднем на 2,1 % более приспособлены, чем вторые. Это значит, что их победа была не случайностью, а закономерным следствием более высокого «эволюционного потенциала». Это подтверждает предположение о том, что «генетический контекст» у прапобедителей более благоприятен для последующей адаптивной эволюции. Разумеется, полезные возникавшие мутации были разными и далеко не во всех случаях авторам удалось их идентифицировать.

Исследователям удалось расшифровать один конкретный пример взаимного влияния мутаций (эпистаза) из числа тех, что обеспечили итоговый выигрыш прапобедителей. Оказалось, что у них в шести из 20 линий потомков за 883 поколения закрепились полезные мутации в гене spoT– многофункциональном регуляторе активности генов. Мутация в этом гене закрепилась также и в основном долгосрочном эксперименте. Однако ни в одной из 20 линий потомков пралузеров мутации в гене spoTне зафиксировались. При помощи генно-инженерных экспериментов удалось показать, что мутация spoTоказывается полезной в сочетании с мутацией topA, характерной для штаммов прапобедителей, но не приносит пользы в сочетании с мутацией topA1, характерной для пралузеров.

Получается, что тот эволюционный путь, по которому пошли пралузеры, хотя и обеспечил им преимущество на ранних этапах эксперимента, оказался менее перспективным, в частности потому, что лишил бактерий возможности повысить свою приспособленность за счет приобретения мутаций в гене spoT.

Таким образом, в долгосрочной перспективе вероятность закрепления той или иной мутации зависит не только от ее непосредственного влияния на приспособленность «здесь и сейчас», но и от ее воздействия на эволюционные перспективы, т. е. на вероятность того, что другие мутации, которые могут возникнуть в будущем, окажутся полезными. В результате линии, поначалу вырвавшиеся вперед в эволюционной гонке, в конечном счете могут оказаться в проигрыше. Разумеется, для этого необходимо, чтобы отстающие, но перспективные линии успели приобрести дополнительные полезные мутации раньше, чем их полностью вытеснят более успешные конкуренты.

Эти удивительные результаты перекликаются с палеонтологическими фактами, которые подметил еще в XIX веке русский зоолог В. О. Ковалевский (1842–1883), изучавший эволюцию копытных. Палеонтологическая летопись демонстрирует немало примеров того, как из двух конкурирующих групп, возникших примерно в одно и то же время, сначала добивается успеха одна, но затем ее вытесняет другая. При этом адаптивная эволюция в обеих группах идет в одном направлении (у копытных речь шла о преобразованиях стопы и кисти). В первой успешной группе ключевые приспособления развиваются быстрее, но являются более поверхностными, несбалансированными. Во второй группе, которая поначалу занимает подчиненное положение, аналогичные адаптации развиваются медленнее, но в итоге оказываются более комплексными, слаженными и глубокими ( Расницын, 1986). Эту закономерность традиционно объясняли на основе общих представлений о «компромиссном» характере эволюции. Любая адаптация покупается ценой ограничения возможностей для развития других адаптаций. Быстро приобретенные «косметические» адаптации могут перекрыть пути дальнейшего совершенствования, так что весь путь в итоге оказывается тупиковым. Теперь мы видим, как эта закономерность работает на молекулярно-генетическом уровне.

Новое устройство враз не прилаживается

По прошествии 31 тыс. поколений в одной из 12 подопытных популяций (ее условное обозначение – Ara-3) произошло что-то странное. Напомним, что бактерий ежедневно пересаживают в колбы с новой питательной средой. Сначала бактерии быстро размножаются, но потом глюкоза в колбе заканчивается, и рост бактерий прекращается – до следующей пересадки. Так было во всех подопытных популяциях, включая Ara-3. Но в один прекрасный день ученые заметили, что численность бактерий этой популяции продолжает расти и после того, как вся глюкоза в колбе уже съедена. К концу суточного цикла численность Ara-3 оказывалась намного выше, чем у остальных популяций. Очевидно, микробы научились использовать в пищу какое-то вещество, входящее в состав среды, но несъедобное для обычных кишечных палочек.

Вскоре Ленски и его коллеги выяснили, что бактерии из популяции Ara-3 приобрели способность питаться цитратом (лимонной кислотой). Цитрат добавляется в среду в качестве вспомогательного вещества. Нормальные бактерии E. coliспособны усваивать цитрат только в анаэробных (бескислородных) условиях. Неспособность питаться цитратом в присутствии кислорода – один из определительных признаков данного вида бактерий. Таким образом, на глазах изумленных ученых в популяции Ara-3 появилось настоящее эволюционное новшество– новый полезный признак. Этот признак (авторы обозначили его Cit ⁺) изменил взаимоотношения организма со средой и позволил бактериям-мутантам увеличить свою численность.

Ученые отсеквенировали геномы 29 бактерий из популяции Ara-3, замороженных в разное время. По этим данным было построено их эволюционное дерево (оно показано на рисунке). Оказалось, что популяция оставалась генетически разнообразной на протяжении почти всей своей истории. В ней из одного предкового клона получилось несколько генетически различающихся линий (клад), но они не спешили вытеснять друг друга. Скорее всего, это значит, что большинство различий между кладами были нейтральными, т. е. не влияли на приспособленность.

Удалось выявить конкретное генетическое изменение, которое дало бактериям возможность питаться цитратом. Микробы Cit ⁻превратились в Cit ⁺благодаря дупликации (удвоению) фрагмента хромосомы, содержащего ген citT. Этот ген кодирует белок, транспортирующий цитрат из внешней среды в цитоплазму бактериальной клетки. В норме у E. coliген citTактивен только в анаэробных условиях. Однако в результате дупликации одна из двух копий citTпопала под управление промотора (регуляторного участка) другого, соседнего гена ( rnk). При помощи генно-инженерных экспериментов авторы показали, что промотор гена rnkобеспечивает работу контролируемого им гена в аэробных условиях.

Разобравшись с природой ключевой мутации, ученые задались следующим вопросом: было ли появление фенотипа Cit ⁺в кладе 3 полностью случайным? Могло ли это событие с тем же успехом произойти в другой кладе или в другой популяции, или оно было подготовлено предшествующей эволюцией именно этой клады? В поисках ответа Ленски и его коллеги провели повторные эксперименты с размороженными представителями клад 1, 2 и 3, а также с исходным (предковым) штаммом.

Выяснилось, что у предкового штамма вероятность появления фенотипа Cit ⁺пренебрежимо мала. Представители клады 1 выработали этот фенотип в двух повторных экспериментах из 55. Это уже лучше! Микробы из клады 2 научились питаться цитратом в двух случаях из 97. Наконец, бактерии из клады 3 приобрели эту способность в восьми случаях из 37 повторных опытов. Еще лучше! Похоже на то, что вероятность приобретения нового полезного свойства росла постепенно. Дополнительные эксперименты подтвердили этот вывод.

Эволюционная история популяции Ara-3, в которой бактерии научились питаться цитратом.Числа слева – поколения.Кружками на дереве обозначены 29 клонов, чьи геномы были отсеквенированы. На дереве выделяются пять основных клад (эволюционных линий):UC (unsuccessful clade, быстро вымершая ранняя линия),клада 1, клада 2, клада 3 («потенцированные» клады с повышенной вероятностью появления фенотипа Cit ⁺, т. е. способности питаться цитратом),новая клада Cit ⁺ – клада, способная питаться цитратом, произошедшая от клады 3 после 31 тыс. поколений(Появление Cit ⁺) . После 33 тыс. поколений у бактерий Cit ⁺появилась мутация, резко повышающая темп мутагенеза(Появление мутатора) . В верхней части рисунка показаны результаты повторных эволюционных экспериментов с замороженными представителями клад 1, 2 и 3. Представители клады 1 выработали фенотип Cit ⁺в двух случаях из 55 попыток, клады 2 – в двух случаях из 97, клады 3 – в восьми случаях из 37. Представители исходного предкового штамма имеют пренебрежимо малую вероятность появления фенотипа Cit ⁺. График справа внизу показывает темп накопления мутаций, резко увеличившийся у бактерий Cit ⁺(светло-серые кружки) после появления аллеля-мутатора. ИзBlount et al., 2012 .

Приобретение фенотипа Cit ⁺во всех случаях было связано с тем, что ген citTначинал экспрессироваться в аэробных условиях. Но достигался этот результат разными путями. В некоторых повторных опытах, как и в основном долгосрочном эксперименте, произошли тандемные дупликации [55]55
  Тандемными называют такие дупликации участков ДНК, в результате которых обе копии удвоенного участка оказываются расположенными вплотную друг к другу.


[Закрыть], благодаря которым citTоказался под управлением аэробного промотора. Но границы дуплицированных участков в разных случаях были разными, а промотор, взявший на себя управление геном citT, не всегда был промотором гена rnk: в одном случае это был промотор другого гена ( rna). В нескольких повторных опытах тот же эффект был достигнут без дупликации – благодаря встраиванию мобильного генетического элемента IS3в кодирующую часть гена, расположенного по соседству с citT. В этом мобильном элементе как раз имеется подходящий промотор, взявший на себя управление геном citT.

Повторные эксперименты подтвердили, что вероятность приобретения признака Cit ⁺росла в ряду «предковый штамм – клады 1 и 2 – клада 3». Стало быть, появление этого признака именно в кладе 3 не было простой случайностью. Микробы были заранее подготовлены к этому – «потенцированы». Иными словами, у них в ходе предшествующей эволюции зафиксировались какие-то мутации, которые сами по себе не давали возможности питаться цитратом, но повысили вероятность развития этой способности в будущем. Разумеется, «потенцирующие» мутации зафиксировались не потому, что микробы планируют свою эволюцию наперед. Эти мутации либо были нейтральными и зафиксировались случайно, либо были полезны для чего-то другого. Подготовка к цитратному питанию была побочным эффектом, которого естественный отбор не мог предусмотреть.

Дупликация, которая привела к появлению способности питаться цитратом у бактерий из популяции Ara-3. а– участок хромосомы предкового штамма, б– тот же участок после дупликации. Стрелками ипетельками обозначены промоторы геновrna иrnk , обеспечивающие работу этих генов в аэробных условиях. В результате дупликации генcitT , кодирующий транспортер цитрата, оказался под управлением промотора генаrnk и стал экспрессироваться в присутствии кислорода. ИзBlount et al., 2012 .

Следующими экспериментами удалось доказать, что какие-тогенетические особенности клады 3 действительно способствуют эффективному питанию цитратом. Чтобы убедиться в этом, исследователи вставили в геномы представителей предкового штамма и клад 1–3 по несколько копий гена citTпод управлением аэробного промотора. Иными словами, они придавали микробам способность поглощать цитрат – и смотрели, насколько микробы расположены к новой диете.

Представители всех генно-модифицированных штаммов в результате научились использовать цитрат в пищу, но в очень разной степени. Микробы из клады 3 делали это лучше всех: они быстро переключались с глюкозы на цитрат и хорошо росли на чистом цитрате. Микробы из клад 2 и 1 справлялись хуже: им требовалось больше времени на переключение, и росли на цитрате они медленнее. Предковый штамм использовал цитрат еще менее эффективно. Для того чтобы после исчерпания запасов глюкозы переключиться на питание цитратом, ему требовалось около двух суток. Между прочим, это означает, что в условиях долгосрочного эксперимента он не получил бы никакого преимущества от мутации, которая создала фенотип Cit ⁺в кладе 3: никто не дал бы ему двух суток на раздумья, ведь бактерий пересаживают в новую среду с глюкозой каждые сутки.

Эти результаты, как и повторные эволюционные эксперименты, показывают, что «потенцирование» проходило как минимум в два этапа. Вероятность формирования фенотипа Cit ⁺выросла при переходе от предкового штамма к кладам 1 и 2 и снова увеличилась при формировании клады 3.

Интересно, что первые бактерии, у которых после поколения № 31 000 был зарегистрирован фенотип Cit ⁺, использовали цитрат еще очень неэффективно, хотя у них уже были и «потенцирующие» мутации, и тандемная дупликация. Новая функция поначалу была несовершенна и давала лишь едва заметное преимущество. В ходе дальнейшей эволюции эффективность использования цитрата микробами Cit ⁺быстро росла. Исследователям удалось расшифровать один из механизмов усовершенствования: фрагмент ДНК с активированным геном citTпросто-напросто подвергся еще нескольким дупликациям. Это, по-видимому, ускорило поглощение цитрата из внешней среды.

Таким образом, формирование эволюционного новшества происходило в три этапа. На первом этапе ( потенцирование) закрепились мутации, повысившие вероятность появления признака в будущем. На втором этапе ( актуализация) появилась и была поддержана отбором ключевая мутация, превратившая микробов Cit ⁻в Cit ⁺. Правда, поначалу новый признак был слабо выражен и почти не приносил пользы. На заключительном, третьем этапе ( усовершенствование) признак постепенно оптимизировался. В результате его полезность многократно выросла.

Усовершенствование – процесс, который может продолжаться долго. Однако события, происходившие в популяции Ara-3 после поколения № 35 000, трудно анализировать. В это время среди микробов Cit ⁺(как и во многих других подопытных линиях) распространилась мутация, повышающая скорость мутагенеза в 20 раз, – уже знакомый нам аллель-мутатор. Найти среди сотен новых мутаций те, что связаны с усовершенствованием цитратного питания, – задача пока слишком трудная. Впрочем, замороженные бактерии никуда не спешат и будут спокойно ждать появления новых методов и приборов ( Blount et al., 2012).