Текст книги "Энергия, секс, самоубийство"

Автор книги: Ник Лейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 13 (всего у книги 34 страниц)

7. Почему бактерии устроены просто

Великий французский молекулярный биолог Франсуа Жакоб однажды заметил, что каждая клетка мечтает стать двумя клетками. Наше тело держит эту мечту составляющих его клеток в строгой узде, в противном случае возникает рак. Но Жакоб начинал как микробиолог, а для бактерий удвоение – это больше чем мечта. Бактерии размножаются с колоссальной скоростью. При условии хорошего питания бактерии E. coli делятся примерно один раз за 20 минут, или 72 раза в день. Одна E. coli весит примерно одну триллионную долю грамма (10^-12 г). Семьдесят два клеточных деления в день соответствуют увеличению в 2⁷² раз (= 10⁷² x ^log2 = 10^21.6), то есть увеличению веса с 10^-12 граммов до 4000 тонн. За два дня масса экспоненциально делящихся E. coli в 2664 раз превысит массу Земли (5,977 х 10²¹ тонн)!

К счастью, этого не происходит, и связано это с тем, что бактерии обычно полуголодные. Они быстро поглощают всю доступную пищу, после чего нехватка питательных веществ снова ограничивает их рост. Бактерии проводят большую часть жизни в заторможенном ожидании обеда. Тем не менее когда обед им наконец-то перепадает, они мобилизуют силы на размножение с поразительной скоростью. То, как это происходит, прекрасно иллюстрирует непреодолимую силу естественного отбора в действии. Поразительно, но клетки E. coli могут делиться надвое быстрее, чем реплицировать собственную ДНК. Репликация занимает у них 40 минут, то есть вдвое больше, чем клеточное деление. Такая ситуация возможна потому, что новый раунд репликации ДНК начинается задолго до того, как закончится предыдущий. Быстро делящаяся клетка занята производством нескольких копий бактериального генома одновременно.

Бактерии корчатся в тисках естественного отбора. Главное для них – это скорость деления, и именно в этом лежит разгадка того, почему бактерии остались бактериями. Представьте себе популяцию бактерий, рост которых ограничен количеством доступных питательных веществ. Накормите их. Бактериальные клетки начинают стремительно размножаться. Клетки, воспроизводящиеся быстрее, начинают доминировать в популяции, вытесняя тех, кто размножается медленнее. Когда запасы питательных веществ заканчиваются, мы имеем дело с новой популяцией, которая впадает в транс до следующего поступления пищи. Ее основу будут составлять бактерии, которые размножались быстрее других в предыдущем раунде, при условии, что они жизнеспособны. Это так же ясно, как и то, что, если строгая программа контроля рождаемости в Китае не возымеет действия, большую часть населения Земли будут составлять китайцы.

Поскольку клеточное деление протекает быстрее, чем репликация ДНК, скорость деления бактерий ограничена скоростью репликации ДНК. Как я уже говорил, бактерии могут ускорить репликацию ДНК за счет производства более чем одной копии за цикл клеточного деления, но число копий, которые можно производить одновременно, все равно ограничено. В принципе скорость репликации ДНК зависит от размера генома и ресурсов, которые можно направить на репликации. Для нее необходим (хоть и недостаточен) запас энергии в форме АТФ. Энергетически неэффективные клетки или клетки, в распоряжении которых мало ресурсов, продуцируют меньше АТФ и поэтому, как правило, копируют свой геном более медленно. Иными словами, чтобы добиться успеха, бактерии должны воспроизводить свой геном быстрее, чем конкуренты, а для этого нужен либо меньший геном, либо более эффективный способ производства энергии. Если две бактериальные клетки производят АТФ с одинаковой скоростью, то клетка с меньшим геномом будет, наверное, самовоспроизводиться быстрее, а значит, со временем займет доминирующее положение в популяции.

Большой геном не будет для бактериальной клетки помехой в том случае, если в трудные времена дополнительные гены позволят ей производить АТФ эффективнее, чем конкуренты. Константинос Константинидес и Джеймс Тиджи (Университет штата Мичиган) провели исключительно интересное исследование – сравнили все 115 полностью отсеквенированных бактериальных геномов. Они обнаружили, что бактерии с самыми большими геномами (примерно 9–10 миллионов «букв», или 9000 генов) доминируют в местообитаниях со скудными, но разнообразными ресурсами, например в почве, где медленный рост не карается вымиранием. Многие почвенные бактерии производят всего три поколения за год, так что отбор благоприятствует не тем особям, которые размножаются быстро, а тем, которые размножаются вообще. В таких условиях очень важно использовать все имеющиеся ресурсы, а для этого нужны дополнительные гены, отвечающие за дополнительную метаболическую гибкость. Таким образом, разносторонность окупается, если дает явные преимущества с точки зрения скорости размножения. Неслучайно, что повсеместно встречающиеся почвенные бактерии, такие как Streptomyces avermitilis, являются метаболически разносторонними и имеют большие геномы.

Итак, для бактерий большой геном – это неплохо, если рост замедлен, а метаболическая гибкость в почете. Но метаболически разносторонних бактерий не так мало, и отбор все равно направлен на уменьшение размера генома. Это, судя по всему, ставит бактериальному геному «планку» высотой примерно 10 миллионов «букв» ДНК. Такой размер имеют самые большие бактериальные геномы, как правило, они гораздо меньше. В общем, наверное, будет справедливо сказать, что бактериальные геномы маленькие, потому что на репликацию больших геномов уходит больше времени и энергии, а значит, они не поддерживаются отбором. Тем не менее даже самые большие бактериальные геномы все равно малы по сравнению с геномами эукариот из тех же местообитаний. Как эукариоты сбросили с себя давление отбора, угнетающее даже самых метаболически разнообразных бактерий, мы узнаем в этой главе.

Потеря генов как эволюционная траектория

Бактерии могут сохранять маленький геном одним из двух способов: пассивным или динамичным. Они могут сохранять один и тот же набор генов, как трусливый игрок, который не спешит расстаться с козырями, или терять одни гены и приобретать другие, как рискованный картежник, сбрасывающий свои карты и тянущий из колоды новые. Это может показаться странным, по крайней мере, тем, кто считает эволюцию неуклонным путем в сторону усложнения (и большего числа генов), но многие бактерии охотно рискуют своими генами. «Проигрыш» при этом нередок. Потеря генов у бактерий – обычное явление.

Один из крайних примеров – бактерия Rickettsia prowazekii, возбудитель сыпного тифа. Эпидемии этой страшной болезни свирепствуют в условиях скученности и антисанитарии, там, где кишат крысы и вши. Случалось, что сыпной тиф косил целые армии, включая армию Наполеона в России. Rickettsia prowazekii названа в честь двух ученых, исследовавших ее в начале XX в.: американца Говарда Риккетса и чеха Станислава Провачека. Вместе с французом Шарлем Николем, Риккетс и Провачек открыли, что эта болезнь передается с испражнениями платяной вши. Как ни печально, ко времени появления вакцины (1930 г.) Риккетс и Провачек уже умерли от тифа. Из первых исследователей в живых остался только Николь; в 1928 г. он получил за свою самозабвенную работу Нобелевскую премию. Его открытия пригодились во время Первой и Второй мировых войн, когда санитарные меры, такие как бритье, мытье и сжигание одежды, помогли ограничить распространение этой болезни.

Rickettsia – очень маленькая бактерия, размером почти с вирус. Она является внутриклеточным паразитом и так хорошо приспособлена к этому образу жизни, что не может существовать за пределами клеток хозяина. Геном риккетсии впервые отсеквенировала Сив Андерссон и ее коллеги из Университета города Уппсала (Швеция). Их публикация в журнале Nature в 1998 г. произвела фурор. Упрощение генома Rickettsia, связанное с внутриклеточным образом жизни, очень напоминает упрощение генома наших собственных митохондрий, а последовательности оставшихся в нем генов имеют много общего с последовательностями генов митохондрий. Андерссон и ее коллеги объявили Rickettsia ближайшим ныне живущим родственником митохондрии, хотя, как мы видели в первой части книги, кое-кто с этим не согласен.

В данный момент нас интересует немного другое, а именно легкость, с которой риккетсии теряют гены. За время эволюции Rickettsia утратили их большую часть и теперь имеют в своем распоряжении всего 834 кодирующих белок генов. Это на порядок больше, чем у митохондрий большинства видов, но составляет примерно четверть обычного числа генов свободно-живущих родичей риккетсий. Rickettsia утратили большинство этих генов просто потому, что они были им ни к чему: уж если организм сумел приспособиться к жизни внутри других клеток, его там кормят с ложечки. Такие паразиты – нахлебники при кухне отличного повара, и им нет нужды заботиться о пропитании. Но они не толстеют, наоборот, худеют, избавляясь от лишних генов.

Давайте остановимся на минутку и подумаем о том, под давлением каких обстоятельств риккетсии теряют гены. Повреждение генов случайно, а вот потеря генов – нет. Клетка (или организм), у которой важный ген теряется (или повреждается и перестает выполнять свою функцию), погибнет – естественный отбор сотрет ее с лица Земли. Однако если ген не слишком важен, его потеря или повреждение не будут иметь катастрофических последствий. За примерами далеко ходить не надо. Несколько миллионов лет назад наши предки приматы утратили ген, необходимый для производства витамина C, но не погибли, потому что ели много фруктов, богатых этим витамином. Они выжили и добились успеха. Мы знаем это потому, что большая часть этого гена осталась в нашей «мусорной» (или избыточной) ДНК и свидетельствует об утрате столь же красноречиво, как пробоина ниже ватерлинии – о гибели корабля. Оставшийся кусок гена хорошо соответствует функциональному гену, вовлеченному в синтез витамина C у других видов.

На биохимическом уровне Rickettsia пошла гораздо дальше наших предков. Гены, необходимые для синтеза «с нуля» многих важнейших веществ (например, аминокислот и нуклеотидов), нужны ей не больше, чем нам – ген, необходимый для синтеза витамина C. Риккетсии просто импортируют эти вещества из клетки хозяина. Что же произойдет, если такие гены у Rickettsia будут повреждены? Да ничего – они потеряются, вот и все. Почти четверть генома Rickettsia состоит из избыточной ДНК, что необычно для бактерий. Этот «лишний» материал напоминает о недавно выброшенных за борт генах. Память о них еще не стерлась – их остатки потихоньку догнивают в геноме. Со временем такая мусорная ДНК почти наверное будет вообще утрачена, так как замедляет репликацию. Мутации, удаляющие ненужную ДНК, будут поддержаны отбором, так как они ускоряют репликацию. Итак, сначала ген повреждается, а потом теряется совсем. Rickettsia уже утратила таким образом четыре пятых своего генома, и процесс продолжается. Как сказала Сив Андерссон, «геномные последовательности – всего лишь моментальные снимки в эволюционном времени и пространстве». В данном случае на снимке запечатлен момент эволюционной деградации паразита.

Баланс между потерей и приобретением генов у бактерий

Большинство бактерий, конечно, не внутриклеточные паразиты, а жители большого мира. Им нужно гораздо больше генов, чем риккетсиям. Тем не менее на них действует аналогичное давление отбора, просто они не могут позволить себе потерять так же много генов, как риккетсии. Склонность свободноживущих бактерий терять гены можно измерить в лабораторных условиях. В 1998 г. венгерские исследователи Тибор Веллай, Кристина Такач и Габор Вида, в то время работавшие в Университете имени Лоранда Этвёша (Будапешт), провели несколько простых, но показательных экспериментов. (Конечно, их техническое исполнение было далеко не простым, но концептуально они были удивительно просты и понятны.) Они создали три бактериальные плазмиды (эти маленькие кольцевые молекулы ДНК служат генетической «разменной монетой»; мы встречались с ними в главе 1). Каждая плазмида содержала ген, обеспечивающий устойчивость к какому-то антибиотику. Между ними было только одно существенное отличие – размер. Они содержали разное количество некодирующей ДНК. Эти плазмиды поместили в культуры растущих бактерий E. coli. Бактерии «подбирали» оказавшиеся в культуре плазмиды (этот процесс называется трансфекцией), после чего могли использовать новые гены при необходимости.

Сначала венгерские исследователи выращивали три трансфицированные культуры в присутствии антибиотика. Бактерия, потерявшая плазмиду, теряет вместе с ней и устойчивость к антибиотику и погибает. При таком давлении отбора медленнее всех росли колонии с самыми большими плазмидами, так как у них уходило больше времени и сил на копирование ДНК. Всего лишь за 12 часов клетки с самыми мелкими плазмидами в десять раз обогнали своих неповоротливых родичей по скорости роста в культуре. Во втором экспериментальном варианте бактерий выращивали без антибиотика. Тогда все три культуры росли с примерно одинаковой скоростью, независимо от размера плазмиды. Как же так? Исследователи еще раз проверили бактерии на присутствие плазмид и выяснили, что лишние плазмиды были утрачены. Все три культуры бактерий могли расти с примерно одинаковой скоростью потому, что избавились от генов устойчивости к антибиотикам, которые в данных условиях были им не нужны. Бактерии выбросили гены, потому что они мешали им размножаться быстрее, словно руководствуясь девизом «Всё лишнее – за борт!».

Эти исследования показывают, что потеря лишних генов у бактерий – вопрос часов или дней. Такая скорость означает, что виды бактерий имеют тенденцию сохранять наименьшее число генов, позволяющее им выжить в конкретный момент. Естественный отбор похож на страуса, прячущего голову в песок, – если какое-то действие предоставляет временную передышку, то неважно, что в долгосрочной перспективе оно может оказаться крайне глупым. Если ген устойчивости к антибиотикам не востребован, его теряет большинство клеток в популяции, даже если он может понадобиться в ближайшем будущем. Бактерии теряют таким же образом не только гены устойчивости к антибиотикам, но и любые другие «неважные» в данный момент гены. Легче всего теряются гены, находящиеся на такой «портативной» хромосоме, как плазмида, но теряются они и с основной хромосомы, только медленнее. Любой ген, который не используется регулярно, с большой вероятностью будет утрачен в результате случайных мутаций и отбора на большую скорость репликации. Об эффективности этих механизмов на основной бактериальной хромосоме свидетельствует малое количество «избыточной» ДНК, а также небольшое по сравнению с эукариотами число генов. Бактерии маленькие и простые, потому что при первой возможности избавляются от лишнего багажа.

Это не так безрассудно, как может показаться. Бактерии могут снова «подобрать» утраченные гены или даже обзавестись новыми. Это происходит за счет горизонтального переноса генов – «подбирания» ДНК (например, ДНК мертвых клеток) из окружающей среды или получения ее от других бактерий в процессе бактериальной конъюгации. Итак, потеря генов компенсируется их активным приобретением. Маловероятно, что в нашем изменчивом мире все бактерии в популяции потеряют все избыточные гены, прежде чем условия снова изменятся (например, со сменой времени года), ведь потеря генов – это случайный процесс. По крайней мере часть бактерий, скорее всего, сохранит такие гены в работоспособном состоянии, и когда условия снова изменятся, они передадут их другим членам популяции путем горизонтального переноса. Именно этой щедростью объясняется быстрое распространение устойчивости к антибиотикам в бактериальных популяциях.

Важность горизонтального переноса генов у бактерий, открытого в 1970-х гг., постепенно была признана. Тем не менее мы лишь недавно стали понимать, в какой мере это явление может путать наши эволюционные построения. У некоторых видов бактерий более 90 % наблюдаемой изменчивости в популяции связано именно с горизонтальным переносом генов, а не с обычным отбором клеток в клонах или колониях. Перенос генов между разными видами, родами и даже доменами означает, что бактерии, в отличие от нас, не передают потомкам устойчивый набор генов путем вертикального переноса. Этот факт говорит о том, что даже просто дать определение вида у бактерий до крайности сложно. Вид у растений и животных – это популяции особей, способных скрещиваться и производить плодовитое потомство. К бактериям это определение неприменимо – они размножаются бесполым путем с образованием клонов идентичных (по умолчанию) клеток. В теории с течением времени клоны расходятся в результате мутаций, и возникающие между ними генетические и морфологические отличия заслуживают гордого названия «видообразование». Однако горизонтальный перенос генов часто путает все карты. Бактерии могут менять гены так быстро и так основательно, что эта какофония стирает всю родословную. Нет таких генов, которые бы передавались дочерним клеткам на протяжении более чем нескольких поколений; их рано или поздно заменяют эквивалентные гены совсем другого происхождения. Пальма первенства принадлежит Neisseria gonorrhoeae. Эта бактерия рекомбинирует гены так быстро, что определить клональные группы невозможно в принципе: даже гены рибосомальной РНК, которые, как считают многие, отражают истинную филогению (эволюционное родство) бактерий, меняются так часто, что совершенно не позволяют судить о родстве.

С течением времени такой перенос генов может приводить к огромным различиям. Приведу только один пример: перенос генов привел к образованию двух штаммов бактериального «вида» E. coli, геномы которых отличаются друг от друга примерно третью (около 2000) составляющих их генов, то есть более существенно, чем отличаются друг от друга все млекопитающие, а может быть, и все позвоночные! Важность вертикального переноса генов, при котором гены передаются только дочерним клеткам во время клеточного деления, у бактерии часто неоднозначна. Представьте, что вы пытаетесь определить семейное родство, изучая ценности, передававшиеся из поколения в поколение, и вдруг выясняете, что люди, родословную которых вы изучаете, поголовно страдали клептоманией и то и дело воровали друг у друга фамильное серебро. Поскольку ветвящееся «древо жизни» основано на вертикальном переносе генов – ложном предположении, что наследство передается только от родителей к детям, – вопрос о том, насколько оно отражает истинное положение вещей, остается открытым. Возможно, гораздо более справедливо было бы говорить о «сети жизни», по крайней мере в случае бактерий. Как заметил один доведенный до отчаяния ученый, пытавшийся построить «древо жизни», «это только господу Богу под силу».

Так почему же бактерии так разбрасываются генами? Такое поведение похоже на альтруизм, дележку генетическими ресурсами ради блага популяции в целом. На самом деле это разновидность эгоизма, то, что Мейнард Смит называл «эволюционно устойчивой стратегией». Сравните горизонтальный перенос генов с обычным «вертикальным наследованием». Во втором случае, если популяции бактерий угрожает антибиотик, а спасительные гены остались только у нескольких клеток, тогда основная, незащищенная часть популяции погибнет, и популяция сможет восстановиться только за счет потомства потрепанных, но не побежденных антибиотиком бактерий. Если условия снова изменятся и будут благоприятствовать другому гену, выжившая популяция снова сильно сократится. В быстро меняющихся условиях пережить все трудности смогут только клетки с огромным репертуаром генов, и их геномы будут такими огромными и неудобными, что они не выдержат конкуренции с бактериями, способными размножаться быстрее. Бактерии с маленькими геномами, конечно, чувствительны ко всем передрягам, но если они могут «подбирать» гены из окружающей среды, то проблема решена – тогда они могут сочетать быструю репликацию с генетической устойчивостью к почти любым внешним воздействиям. Такие бактерии, постоянно теряющие и приобретающие новые гены, обойдут своих соперников, как неуклюжих генетических гигантов, так и приверед, которые вообще не «подбирают» никаких новых генов. Можно предположить, что самый эффективный способ получения новых генов – это конъюгация, а не «подбирание» генов мертвых бактерий, которые могут быть повреждены. Поэтому бактериям выгодно делиться генами, и этот эгоизм выглядит как альтруистичное поведение. Итак, в случае бактерий мы имеем дело с динамическим равновесием двух разнонаправленных тенденций – тенденции к утрате генов, сокращающей бактериальный геном до минимально возможного размера при конкретных условиях, и тенденции к накоплению новых генов за счет их горизонтального переноса генов по мере необходимости.

Я привел несколько примеров потери генов у бактерий (Rickettsia, бактерии из экспериментов венгерских ученых). Тем не менее довольно трудно доказать важность потери генов у бактерий в «дикой природе»; единственный убедительный аргумент – маленький размер их генома (небольшое число генов и малое количество мусорной ДНК). Однако в пользу силы и настойчивости давления отбора, направленного на утрату любых лишних генов, также свидетельствует распространенность горизонтального переноса генов у бактерий. Поскольку, несмотря на приобретение новых генов, геномы бактерий не увеличиваются, надо полагать, что они теряют гены с той же скоростью, с какой приобретают их. А склонность быстро терять гены связана с конкуренцией между клетками в пределах вида (а также клеток разных видов) – чтобы выжить, они должны постоянно сокращать геном до минимально возможного при конкретных условиях.

Верхний предел размера бактериального генома – примерно 9–10 миллионов «букв», кодирующих около 9000 генов. Надо полагать, что бактерии, получившие больше этого количества генов, вскоре теряют их, так как большой геном замедляет репликацию, не давая никаких преимуществ. Это еще один яркий пример отличий между бактериями и эукариотами. Чем больше мы узнаем о бактериях, тем сложнее нам делать валидные обобщения. В последнее время были открыты бактерии, имеющие линейные хромосомы, ядро, цитоскелет и внутренние мембраны, то есть все те признаки, которые раньше считались прерогативами эукариот. Но есть одно отличие, которое никуда не делось даже при внимательном рассмотрении, и это число генов. Почему нет бактерий, у которых больше 10 миллионов «букв» ДНК, в то время как одноклеточный эукариот Amoeba dubia, с которым мы встречались в главе 1, ухитрился накопить 670 миллиардов «букв»? Как эукариоты смогли сбросить репродуктивные ограничения, наложенные на бактерии? Правильный ответ, как мне кажется, предложили Тибор Веллай и Габор Вида в 1999 г. Он обезоруживающе прост. Размер клетки, объем генома и уровень сложности бактерий ограничены потому, что они вынуждены дышать через наружную клеточную мембрану. Давайте посмотрим, почему это важно.