Текст книги "Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции"

Автор книги: Евгений Кунин

сообщить о нарушении

Текущая страница: 10 (всего у книги 41 страниц) [доступный отрывок для чтения: 15 страниц]

Краткий обзор и перспектива: о природе эволюционного процесса

Результаты взаимопроникновения сравнительной геномики и системной биологии, обсуждаемые в данной главе, приводят нас к следующему ключевому обобщению.

Многие, чтобы не сказать все, общие закономерности геномной и молекулярно-фенотипической эволюций описываются стохастическими процессами, основанными на принципе подверженной ошибкам репликации и ограниченными очищающим отбором, который поддерживает существующую общую (но не специфическую) архитектуру генома и устройства клеток.

Это обобщение не следует понимать как исключение адаптации из числа важнейших эволюционных понятий. Разумеется, адаптация – это общее и неотъемлемое явление в эволюции всех форм жизни. Тем не менее становится все более ясным, что общие количественные характеристики геномной архитектуры, функционирования и эволюции в первую очередь определяются неадаптивными, стохастическими процессами. Адаптация только модулирует эти закономерности. Здесь становится очень соблазнительным провести вполне очевидную параллель с нейтральной теорией Кимуры. В ходе высокоуровневого анализа геномных и молекулярно-фенотипических параметров мы начинаем различать контуры «неонейтрализма» (см. также гл. 8).

Аналогия между эволюцией и стохастическими физическими процессами ни в коем случае не отрицает метафоры «эволюции как мастерового» Жакоба. Напротив, новые открытия в эволюционной геномике прекрасно вписываются в это представление об эволюции: естественный отбор (адаптивный компонент эволюции) представляет собой процесс «латания», не полную перестройку или создание нового объекта, а добавление к существующему новых частей из уже имеющихся подручных материалов. Таким образом, первичная форма отбора – это очищающий отбор, который поддерживает статус-кво. Это обобщение имеет довольно удивительное, но неизбежное следствие: большая часть наиболее значимых событий во всей истории жизни произошла в течение первых нескольких сотен миллионов лет существования жизни на Земле, до появления современного типа клеток. Этот период в истории жизни должен был качественно отличаться от всей остальной эволюции; есть основания считать, что важнейшее достижение эволюции – это появление клетки, все остальное уже не так важно. Мы будем обсуждать происхождение жизни с этой точки зрения в главах 11 и 12 и вернемся к обсуждению общей природы эволюции в главе 13.

Параллели между эволюционной биологией и статистической физикой оказались точными и фундаментальными до такой степени, что кажется вполне справедливым заключение о том, что это не аналогии, а проявление общих статистических принципов (если не сказать законов) поведения больших ансамблей слабовзаимодействующих объектов [45]45
  Здесь надо вновь сделать упор на принцип максимальной энтропии.


[Закрыть]. Как в физике, так и в эволюционной биологии такие ансамбли (например, идеальный газ в физике и геном как сумма генов в биологии) являются идеализациями. В реальности отклонения от поведения, которое предсказывается простыми статистическими моделями, неизбежны и значимы. В эволюционной биологии такие отклонения, кроме всего прочего, вызываются различными взаимодействиями генов, что приводит к неожиданным эффектам, таким как отсутствие строгой корреляции между биологической значимостью гена и скоростью его эволюции. Тем не менее существенный эвристический потенциал прямого статистического подхода в объяснении по крайней мере некоторых фундаментальных свойств как физических, так и биологических процессов неоспорим.

Рекомендуемая дополнительная литература [46]46
  К этому списку хочется добавить уже упомянутую статью Франка (Frank SA.The common patterns of nature. J Evol Biol. 2009 Aug;22(8):1563-85), которая представляет собой достаточно простое, удивительно четкое и интересное обсуждение универсальных распределений и принципа максимальной энтропии, а также статью автора этой книги, в которой обсуждается природа законов эволюционной геномики (Koonin EV.Are there laws of genome evolution? // PLoS Comput Biol. 2011 Aug;7(8):e1002173).


[Закрыть]

Barabasi, A. L.,and Z. N. Oltvai.(2004) Network Biology: Understanding the Cell’s Functional Organization. // Nature Reviews Genetics5: 101–113.

Обзор свойств биологических сетей с акцентом на масштабной инвариантности.

Barton, N. H.,and J. B. Coe.(2009) On the Application of Statistical Physics to Evolutionary Biology. Journal of Theoretical Biology259: 317–324.

Технически сложная, но важная работа по термодинамическому подходу в эволюционной биологии.

Drummond, D. A.,and C. O. Wilke. (2009) The Evolutionary Consequences of Erroneous Protein Synthesis. Nature Reviews Genetics10: 715–724.

Критический обзор концепции эволюции, ограниченной ошибками трансляции и ошибками укладки белка.

Lobkovsky, A. E., Y. I. Wolf,and E. V. Koonin.(2010) Universal Distribution of Protein Evolution Rates As a Consequence of Protein Folding Physics. Proceedings of the National Academy of Sciences USA107: 2,983—2,988.

В этой работе эволюционная динамика выводится в рамках простой модели укладки белка и с хорошей точностью воспроизводится универсальное распределение эволюционных скоростей.

Koonin, E. V.,and Y. I. Wolf.(2006) Evolutionary Systems Biology: Links Between Gene Evolution and Function // Current Opinion in Biotechnology17: 481–487.

Обзор корреляций между эволюционными и молекулярно-фенотипическими параметрами.

Koonin, E. V., Y. I. Wolf,and G. P. Karev.(2002) The Structure of the Protein Universe and Genome Evolution // Nature420: 218–223.

Обсуждение универсальных распределений и зависимостей с акцентом на роли стохастических процессов и принципе предпочтительного присоединения.

Molina, N.,and E. van Nimwegen.(2009) Scaling Laws in Functional Genome Content Across Prokaryotic Clades and Lifestyles // Trends in Genetics25: 243–247.

Последние данные по универсальным степенным функциям для различных функциональных классов генов.

Sella, G.,and A. E. Hirsh.(2005) The Application of Statistical Physics to Evolutionary Biology // Proceedings of the National Academy of Sciences USA102: 9,541—9,546.

Богатая идеями статья, детально описывающая формальную аналогию между статистической физикой и эволюционной динамикой.

Schroedinger, Erwin.(1944/1992) What Is Life?: With «Mind and Matter» and «Autobiographical Sketches». Cambridge, MA: Cambridge University Press. [Шредингер Э. Что такое жизнь? Физический аспект живой клетки / Пер. с англ. 3-е изд. Ижевск: РХД, 2002.

Небольшая классическая книга, которую можно порекомендовать еще раз как взгляд на биологию с физической точки зрения, не так уж и изменившийся со времен Шредингера.

Глава 5. Сетевая геномика мира прокариот: вертикальные и горизонтальные потоки генов, мобиломы и динамика пангеномов

Когда Дарвин писал об эволюции, он имел в виду животных и растения, по крайней мере он использовал эти сложные многоклеточные организмы во всех своих конкретных примерах. Одноклеточные формы жизни практически не упоминаются в «Происхождении видов…» или любой другой книге Дарвина. В любом случае, учитывая, что Дарвин серьезно обсуждал происхождение всех существующих ныне видов от одной или нескольких предковых форм (см. гл. 2 и 11), он должен был исходить из того, что эти предки были одноклеточными [47]47
  В действительности, хотя Дарвин не обсуждал микробов в печати, некоторые из его писем показывают значительный интерес к этой теме и ее понимание ( M. A. O’Malley, What Did Darwin Say About Microbes, and How Did Microbiology Respond? Trends in Microbiology17 [2009]: 341–347).


[Закрыть]. Эрнст Геккель, плодовитый немецкий последователь Дарвина, поместил протист (одноклеточных эукариотов, часто называемых этим термином даже сейчас) и дробянок (ныне известных как прокариоты – бактерии и археи) в основании своего монументального древа жизни, первого из подобных деревьев, которое было населено реальными жизненными формами. Естественно, животные доминировали на дереве Геккеля, в то время как протисты и дробянки располагались на неопределенных позициях поблизости от корня.

Вездесущесть и важность бактерий в биосфере постепенно становились очевидными параллельно с развитием эволюционной биологии, вначале благодаря полным драматизма исследованиям бактериальных патогенов, а позднее в результате достижений экологической микробиологии. Достаточно рано микробиологи показали, что бактерии в буквальном смысле являются основным действующим началом в биосфере. Подавляющее большинство живых клеток на нашей планете – это именно бактерии, они демонстрируют наибольшее биохимическое разнообразие среди всех организмов и являются главной геохимической силой. Однако, несмотря на биологическую важность и поразительное биохимическое и экологическое разнообразие микробов и огромный прогресс микробиологии в середине XX столетия (в качестве примеров можно упомянуть открытие антибиотиков и демонстрацию химической природы генетического материала бактерий), микробиология ничего не внесла в СТЭ и не была эволюционной дисциплиной на протяжении большей части этого столетия. Не то чтобы микробиологи совсем не думали об эволюции, но все их попытки расшифровать эволюционные взаимоотношения между бактериями, используя морфологию клеток, а также метаболические и фенотипические характеристики, и на основе этих признаков построить филогенетическую таксономию приводили к несовместимым и неприемлемым результатам. Весьма любопытно, что приблизительно в то время, когда происходила консолидация СТЭ, ведущие микробиологии того времени, включая Роджера Стейнира и Корнелиуса Ван Нейла, пришли к выводу, что, если какие-то эволюционные процессы и происходят в микромире, описать их и как-либо применить в сфере таксономии микробов и микробиологии вообще практически невозможно (Stanier and Van Niel, 1962; Van Niel, 1955).

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]48
  По всей вероятности, это предвзятый взгляд, но для меня волнение, вызванное прочтением этих первых геномов, буквально ни с чем не сравнимо.


[Закрыть]. 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 coliили 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 cicadicolaдо примерно 13 Мб для обитающей в почве бактерии Sorangium cellulosum(Koonin and Wolf, 2008b). Примечательно, что бактерии демонстрируют бимодальное распределение размеров генома [49]49
  Бимодальное распределение какой-либо величины редко встречается в природе, его появление указывает, что наблюдается нечто интересное.


[Закрыть]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 equitansдо 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.

Огромное множество архейных и бактериальных генов кодируют белки, которые не имеют никакого измеримого сходства с какими-либо другими доступными последовательностями белков. Эти гены часто обозначают как одинокие рамки считывания (ОРС) [50]50
  Здесь непереводимая игра слов: по-английски такие гены называютORFans . Это обозначение происходит, с одной стороны, отORF, Open Reading Frame (открытая рамка считывания), a с другой стороны, отOrphans (сироты – то есть гены, у которых нет известных родственников).


[Закрыть](Daubin and Ochman, 2004). Обычно в архейных и бактериальных геномах ОРС составляют 10–15 процентов от всех предсказанных генов. Многие ОРС – очень короткие, и некоторые из них могут быть не реальными генами, а результатом ошибочного предсказания при анализе генома (Ochman, 2002). Кроме того, высказывается предположение, что большинство ОРС, являющихся полноценными генами, произошли от генов бактериофагов и, соответственно, характеризуются высокой горизонтальной мобильностью, хотя в некоторых случаях они могут быть задействованы для клеточных функций и, соответственно, фиксируются в бактериальных и архейных геномах. Последние оценки, следующие из метагеномных исследований бактериофагов, предполагают, что разнообразие фаговых последовательностей очень велико и остается по большей части неизученным (Edwards and Rohwer, 2005). Таким образом, кажется привлекательной идея, что бо́льшая часть бактериальных и архейных ОРС произошла из этого огромного резервуара генов. В трехкомпонентной структуре вселенной прокариотических генов, с которой мы теперь знакомы, ОРС естественным образом объединяются с «облаком» редких генов, которые количественно доминируют в генном пространстве, но не в индивидуальных геномах, как обсуждалось в главе 3.

Насколько велико все геномное пространство прокариот? Сколько генов в общей сложности оно содержит? Надежная экстраполяция расширения геномного пространства в результате продолжающегося секвенирования бактериальных и архейных геномов и достоверная оценка реального размера этого пространства трудноосуществимы. Однако с учетом большого разнообразия микробных виромов, которые являются основным резервуаром генов и их переносчиком (см. также гл. 10), наиболее вероятно, что число элементов прокариотического геномного пространства увеличится на порядки величины, в основном, если не исключительно, за счет расширения «облака» (Koonin and Wolf, 2008b; Lapierre and Gogarten, 2009).

Эволюционная динамика архитектуры генома прокариот: опероны, суперопероны и сети соседствующих генов

Как уже отмечалось в главе 3, практически сразу же, как только были опубликованы первые полные геномные последовательности, стало очевидным, что последовательность генов в бактериальных и архейных геномах относительно мало консервативна, она сохраняется существенно хуже, чем последовательность нуклеотидов в самих генах (см. рис. 3–6). Для того чтобы анализировать эволюцию последовательности генов, необходимо иметь надежный набор ортологичных генов в сравниваемых геномах (см. табл. 3–1). Как только такое множество ортологичных генов задано, становится достаточно просто оценить степень сохранения последовательности генов, например с помощью точечного графика (одно из самых ранних представлений степени сходства нуклеотидных и белковых последовательностей), в котором каждая точка представляет собой пару ортологов. Исследование этих графиков показывает быстрое расхождение порядка генов у прокариот таким образом, что даже между близкородственными организмами коллинеарность хромосом разрушена в нескольких точках (см. рис. 5–2 а), a умеренно разошедшиеся организмы показывают лишь несколько протяженных коллинеарных районов (см. рис. 5–2 би 5–2 в). Для любой пары более отдаленных друг от друга организмов график выглядит как карта звездного неба (см. рис. 5–2  г). Разрушение синтении в процессе эволюции бактериальных и архейных геномов обычно явно бросается в глаза на графике, образуя картину в форме буквы X (см. рис. 5–2 би 5–2 в). В свое время было сделано предположение, что такая картина возникает в результате симметричных хромосомных инверсий с центром в точке начала репликации (Eisen et al., 2000). Исходной причиной таких инверсий может быть высокая частота рекомбинаций в репликационных вилках, которые в кольцевых хромосомах бактерий и архей обычно располагаются с обеих сторон и на одинаковом расстоянии от точки начала репликации.

Рис. 5–2.Расхождение порядка следования генов между геномами бактерий: а – Borrelia afzeliiPKo по сравнению с Borrelia burgdorferiB31; б – Shewanella oneidensisMR-1 по сравнению с Shewanella sp.ANA-3; в – Pseudomonas fluorescensPfO-1 по сравнению с Pseudomonas fluorescensPf-5; г – Pseudomonas fluorescensPf-5 по сравнению с Pseudomonas syringaepv. tomato str. DC3000. Каждая точка представляет пару ортологичных генов, идентифицированных с использованием метода наилучшего сходства при двунаправленном сравнении (см. табл. 3–1). Яркие точки показывают пары ортологичных генов, принадлежащих консервативным массивам генов; бледные точки показывают изолированные ортологи. DY– расстояние между сравниваемыми геномами в терминах порядка следования генов, как описано в Novichkov et al., 2009. DN– медианное расстояние между последовательностями несинонимических сайтов в белок-кодирующих генах.

Одной из наиболее ранних фундаментальных концепций бактериальной генетики является оперон, то есть группа совместно транскрибируемых и регулируемых генов (Jacob and Monod, 1961). Гипотеза оперона – выдающийся концептуальный прорыв Франсуа Жакоба и Жака Моно. Хотя за 50 лет, прошедших с момента ее первой публикации, было открыто огромное количество вариаций простой схемы регуляции лактозного оперона Lac репрессором, оперон выдержал проверку сравнительной геномикой как главный организационный принцип бактериальных и архейных геномов. В процессе эволюции опероны сохраняются гораздо лучше, чем протяженные синтении. Тем не менее сравнительный анализ порядка следования генов в бактериях и археях выявил небольшое количество оперонов, общих для широкого многообразия организмов. Как уже было отмечено ранее, высококонсервативные опероны, как правило, кодируют физически взаимодействующие белки, тенденция, легко объяснимая отбором, направленным против вредных эффектов дисбаланса между субъединицами сложных белковых комплексов. Наиболее эффектной иллюстрацией этой тенденции является рибосомный супероперон, включающий более 50 генов рибосомных белков, который встречается в различных комбинациях и локализациях во всех секвенированных архейных и бактериальных геномах. Анализ рибосомного супероперона и других частично сохраняющихся групп оперонов меньшего размера привел к идее сверхоперона(Lathe et al., 2000), или консервативного окружения гена(Rogozin et al., 2002), как некоего множества перекрывающихся, частично консервативных цепочек генов (известных или предсказанных оперонов; см. рис. 5–3). В дополнение к рибосомному супероперону, яркими примерами консервативного окружения являются предсказанная группа перекрывающихся оперонов, которая кодирует субъединицы экзосомного комплекса архей, и cas-гены, из которых состоит антивирусная система защиты (см. также гл. 9 и 10).

Большинство генов в каждом консервативном окружении кодируют белки, вовлеченные в один и тот же процесс или комплекс, но существуют и высококонсервативные участки, которые включают гены с функциями, как кажется, несвязанными. Яркий пример – частое присутствие гена енолазы в рибосомном окружении или генов субъединиц протеасомы в экзосомном окружении архей. Присутствие этих генов, на первый взгляд кажущихся неуместными в консервативном генном окружении, может объясняться скрытой функциональной связью, плейотропией (множественностью функций соответствующих белков), или «геномным автостопом», когда оперон объединяет гены функционально не связанные, но экспрессируемые в одинаковых условиях (Rogozin et al., 2002).

Концепция геномного окружения воплощает в себе парадигму эволюции генома прокариот, если не эволюции геномов вообще, так как она ярко демонстрирует баланс между частичным сохранением элементов ядра и огромной диверсификацией периферии(см. рис. 5–3 а). Так же как для многих других объектов и их взаимоотношений в биологии, эти частично консервативные окружения могут быть естественным образом представлены в виде сети, в которой гены являются узлами, соседи соединены ребрами, а вес ребер пропорционален частоте встречаемости данной связи в геномах (см. рис. 5–3).

Рис. 5–3.Частично сохраняющееся окружение гена в геноме прокариот: а– перекрывающиеся, частично сохраняющиеся массивы генов. Гены показаны в форме стрелок с уникальной штриховкой или текстурой. Связывающие их жирные линии обозначают короткие межгенные промежутки, а тонкие линии показывают протяженные районы, разделяющие соответствующие гены. (Они содержат дополнительные гены и изображены без учета масштаба.) В случаях, в которых опероны не связаны, они могут располагаться в различных частях генома. На рисунке показаны реальные массивы генов, но названия конкретных геномов и генов не указаны, чтобы подчеркнуть общий характер геномной организации подобного типа. Данные по Rogozin et al., 2002; б– представление окружения гена в виде сети. Закрашенные окружности показывают гены, которые принадлежат к окружению, автоматически вычлененному с использованием алгоритма, описанного в Rogozin et al., 2002; показана только часть окружения. Незакрашенная окружность соответствует гену, который принадлежит окружению, но не был включен в него автоматической процедурой. Стрелки показывают связь между генами в оперонах (жирные стрелки соответствуют связям внутри окружения, а пунктирные стрелки – внешним связям). Толщина стрелок примерно пропорциональна числу геномов, в которых представлена данная пара генов.

Большинство оперонов находится не в сложном окружении, включающем разнообразные связи, а представляет собой простую последовательность от двух до четырех генов, порядок которых может различаться. Идентичные или похожие в смысле организации генов опероны часто обнаруживаются в сильно различающихся организмах и в различных функциональных системах. Примечательны в данном случае многочисленные опероны транспорта метаболитов, которые состоят из расположенных в одинаковом порядке генов, кодирующих трансмембранные пермеазы, АТФазы и периплазматические субъединицы так называемых ABC-транспортеров (три субъединицы обозначаются соответственно A, B и C). Присутствие таких общих оперонов в разнообразных бактериях и археях было интерпретировано в рамках гипотезы эгоистичного оперона(Lawrence, 1999), которая постулирует, что оперон так хорошо сохраняется не из-за функциональной важности совместной регуляции входящих в него генов, а из-за «эгоистичности» этой компактной генетической единицы, которая склонна к горизонтальному распространению среди прокариот (ниже в этой главе мы еще вернемся к данной концепции при обсуждении горизонтального переноса генов).

Систематическое сравнение расположения ортологичных генов в архейных и бактериальных геномах выявило относительно небольшую долю сохраняющихся (предсказанных) оперонов и гораздо большую распространенность уникальных директонов (последовательностей генов, считываемых в одинаковом направлении и разделенных короткими межгенными участками; Wolf et al., 2001). Как было показано, возможно несколько неожиданно, директоны довольно точно предсказывают опероны: большинство директонов в действительности, по-видимому, являются оперонами (Salgado et al., 2000). Таким образом, архейные и бактериальные геномы сформированы на оперонных принципах с небольшим числом высококонсервативных оперонов и намного более многочисленными редкими и уникальными оперонами. С учетом этого обстоятельства модель консервации оперонов, по крайней мере качественно, напоминает распределение кластеров ортологичных генов, с его трехкомпонентной структурой (см. выше): редкие гены и редкие опероны гораздо более многочисленны, чем повсеместно распространенные гены и опероны.

Степень «оперонизации» генома у бактерий и архей широко варьирует: некоторые геномы, например как у гипертермофильной бактерии Thermotoga maritima, почти полностью состоят из (предсказанных) оперонов, в то время как другие, как у большинства цианобактерий, по-видимому, содержат очень немного оперонов. Остается неясным, что определяет распространенность оперонов в организме, хотя высказывались предположения, что степень «оперонизации» зависит от баланса между интенсивностью рекомбинации и горизонтального потока генов, а также факторов отбора, препятствующих разрушению оперонов.