Текст книги "Энергия, секс, самоубийство"

Автор книги: Ник Лейн

сообщить о нарушении

Текущая страница: 23 (всего у книги 34 страниц)

12. Основы индивидуума

Многоклеточная особь состоит из клеток, сотрудничающих ради высшего блага. Тем не менее они сотрудничают не по любви, а под угрозой смертной казни для любой клетки, которая попробует дезертировать к предковому образу жизни. Время от времени эгоистичным клеткам удается избежать казни, тогда наступает рак. Раковые клетки бесконтрольно размножаются, забыв об общих интересах и подрывая единство тела. Отсрочив свою смерть, они в конце концов убивают бывшего хозяина и сами гибнут вместе с ним.

Рак существует потому, что редко встречается у молодых особей. Если бы тело гибло прежде, чем его клетки успевали бы организовать свое размножение (за счет половых клеток), то особь не оставила бы потомства и эгоистичные гены канули бы в Лету. На заре существования многоклеточных организмов, однако, составляющие его эгоистичные клетки имели шансы на независимое существование. В отличие от раковых клеток, они могли жить сами по себе, сохраняя потенциальную возможность основать новую колонию клеток. Эта независимость до сих пор встречается у губок и некоторых других животных, но такая либеральная политика в отношении клеток не дает им подняться к вершинам многоклеточной сложности. Истинная многоклеточность требует абсолютной жертвенности. Но если клетки могли жить независимо, как они согласились подписать собственный смертный приговор?

Сегодня смертная казнь клеток – апоптоз – отправляется митохондриями. Они объединяют сигналы из разных источников, и если их баланс указывает, что клетка повреждена, и потому может начать действовать в собственных интересах, митохондрии активируют клеточную машину смерти. Примерно 10 миллиардов клеток человеческого тела ежедневно умирают тихой и незаметной смертью путем апоптоза. На смену им приходят новые, неповрежденные клетки. Машина смерти состоит из нескольких белков, которые выходят из митохондрий в цитоплазму и активируют дремлющие «ферменты смерти» – каспазы. Эти ферменты расчленяют клетку изнутри и пакуют остатки, чтобы их пустили в дело другие клетки. Ничто не пропадает впустую.

Практически все «белки смерти», высвобождающиеся из митохондрий, а также сами каспазы, были некогда привнесены в эукариотическую клетку бактериальными предками митохондрий. У них по сей день есть ближайшие аналоги среди белков свободноживущих бактерий и особенно среди паразитических. У современных бактерий многие «белки смерти» вовсе не вызывают смерть самих бактерий или каких-либо других организмов, а используются в иных целях. С другой стороны, бактериальные белки семейства поринов – это боевое оружие, активно действующее на другие клетки. Возможно, так было всегда: бактериальные предки митохондрии были паразитами и использовали похожие на порины белки, чтобы расчленить клетку хозяина изнутри и съесть ее, после чего отправлялись искать новую жертву.

Так это было или нет, зависит от истинной природы бактериальных поринов. У современных паразитов они встроены в мембраны клетки-хозяина и безжалостно убивают его, как только он оказывается не в состоянии обеспечивать метаболические запросы паразита. Физически (но не генетически). бактериальные порины подозрительно похожи на митохондриальные порины – белки bcl-2, которые активируют клеточную машину смерти, образуя поры в митохондриальной мембране. Из этого следует и более широкий вывод: эукариотическая клетка родилась в горниле войны между внутриклеточным паразитом, который впоследствии был усмирен и стал митохондрией, и клеткой-хозяином, которая научилась справляться с инфекцией.

Звучит довольно просто, но есть одна загвоздка. В части 1 мы рассмотрели несколько теорий происхождения эукариотической клетки, в частности, «паразитическую модель», в рамках которой митохондрии произошли от похожей на рикеттсию бактерии, и водородную гипотезу, которая утверждает, что изначально союз был основан на взаимной метаболической выгоде: один партнер использовал продукт метаболизма другого, и наоборот. Там я утверждал, что современные данные поддерживают водородную гипотезу, а не паразитическую модель. Однако только что сказанное о паразитах не согласуется с водородной гипотезой, предполагающей мирный метаболический союз. Паразиту может быть выгодно убить хозяина, чтобы найти следующего, а вот метаболическому наркоману незачем убивать поставщика, особенно если мало надежды найти другого. Значит, либо паразитическая модель подрывает доверие к водородной гипотезе, либо она сама неверна, что бы там она ни объясняла. Не могут обе эти теории быть правильными одновременно. Так какая же из них ближе к истине?

Чтобы ответить на этот вопрос, нам сначала нужно отделить проверенные или, по крайней мере, пока не оспоренные факты от хитроумных домыслов. Это нетрудно. Понятно, что митохондрии в большой мере отвечают за машину смерти: они играют ключевую роль в апоптозе современных организмов и наверное внесли важный вклад в его эволюцию. А вот связь между белками bcl-2 и бактериальными поринами, например у Neisseria gonorrhoeae, относится к хитроумным домыслам. Загадочное структурное сходство действительно есть, но оно не доказывает эволюционную связь.

На основании современных данных можно предположить три возможных варианта взаимоотношений между белками bcl-2 и бактериальными поринами. Во-первых, сходство между ними может быть связано с конвергентной эволюцией: и митохондрии и N. gonorrhoeae могли независимо приобрести похожие белки для сходных целей. Никакие генетические данные не исключают эту возможность, а тем, кто сомневается в силе конвергентной эволюции на молекулярном уровне, я рекомендую книгу Саймона Конвей-Морриса «Разгадка жизни». В этом случае между белками bcl-2 и бактериальными поринами не должно быть генетического родства, но можно ожидать структурного сходства, связанного с общностью функций. Есть не так уж много способов проделать большую пору в липидной мембране, и они должны накладывать определенные функциональные ограничения. Если двум разным клеткам нужны большие поры, они, скорее всего, придут к сходным решениям.

Вторая возможность заключается в том, что митохондрии действительно унаследовали белки bcl-2 от своих бактериальных предков, как предложили Фраде и Мехелидис (см. предыдущую главу). Доказать это можно, только найдя общие черты в генетических последовательностях, а они не найдены. Более того, такие общие черты должны быть у представителей α-протеобактерий (предков митохондрий), или придется допустить возможность горизонтального переноса генов на более поздней стадии. Ясно, что если горизонтальный перенос генов происходил позже, он ничего не скажет нам об изначальных отношениях между митохондриями и клеткой-хозяином. Итак, более систематическое изучение генов α-протеобактерий может подкрепить эту гипотезу, но пока что структурное сходство – в лучшем случае повод задуматься.

Наконец, возможно, что N. gonorrhoea и другие паразитические бактерии получили свои порины от митохондрий, а не наоборот. Такой перенос генов от хозяина к паразиту – обычное дело. Если это было так, то следует ожидать сходства последовательностей у генов митохондрий и паразитов. Отсутствие таких сходных последовательностей может быть связано с тем, что их просто не искали (и тогда они всплывут, когда мы отсеквенируем больше генов), а может быть, они просто потерялись, стерев все свидетельства общности происхождения. Такое тоже возможно, так как непрекращающаяся эволюционная война между паразитом и хозяином приводит к исключительному непостоянству генов паразита. Более того, бактериальные порины сами по себе не вызывают весь апоптоз, они просто подключаются к уже существующей машине смерти. По сути дела, они несут с собой портативный тумблер, позволяющий «включить» машину смерти клетки хозяина. Поэтому поведение современных паразитов, вызывающих клеточную смерть, несравнимо с предполагаемым поведением протомитохондрий. Последним пришлось бы притащить в клетку всю машину смерти, наладить ее работу, но при этом не погибнуть самим. (Сегодня, конечно, митохондрии погибают вместе с клеткой.)

Имеющиеся данные не позволяют сделать выбор между этими тремя возможностями. Тем не менее батальное полотно кисти Фраде и Михелидиса, по крайней мере, выглядит непротиворечиво. Или все-таки нет? В этой истории есть целый ряд других заковыристых проблем. Во-первых, и это главное, митохондрии больше не являются независимо размножающимися клетками, и скорее всего они потеряли независимость сразу после начала переноса их генов в ядро клетки-хозяина. Как только несколько важных генов оказались заложниками в ядре, убийство хозяина не сулило митохондриям ничего хорошего. Их будущее было неразрывно связано с будущим хозяина. Можно было попробовать манипулировать хозяином, но убивать его явно не стоило. Напротив, никакие паразиты, даже мельчайшие Rickettsia, не потеряли свою независимость. Они полностью контролируют свой жизненный цикл и свои ресурсы. Им, в отличие от митохондрий, убийство хозяина может сойти с рук.

Когда именно митохондрии потеряли власть над собственным будущим, неизвестно, но скорее всего это произошло на самых ранних этапах эволюции эукариотической клетки. Посмотрим, например, на эволюцию переносчика АТФ – мембранной помпы, экспортирующей АТФ из митохондрий. Этот переносчик впервые позволил эукариотическим клеткам получать энергию в форме АТФ из митохондрий (до этого момента само слово «митохондрии» было к ним неприменимо). Это был символический шаг, так как симбионты потеряли контроль над своими энергетическими ресурсами, а с ним и независимость. Для митохондрий это означало переход от статуса гостя к статусу пленника. Мы можем довольно точно датировать этот переход, сравнивая последовательности гена, кодирующего переносчика АТФ, у разных групп эукариот. Тот факт, что этот переносчик встречается во всех группах эукариот, включая растения, животных, грибы, водоросли и простейших, наводит на мысль, что он возник до расхождения этих групп, то есть очень давно и, само собой, до появления многоклеточных животных (судя по ископаемой летописи, возможно, за несколько сотен миллионов лет).

Итак, налицо временной провал. Кажется весьма вероятным, что митохондрии потеряли автономию задолго до возникновения настоящих многоклеточных организмов. В тот период убийство хозяина не сулило митохондриям никаких преимуществ, потому что они уже не могли существовать независимо. Клеткам-хозяевам, в свою очередь, была абсолютно невыгодна смерть, потому что тогда они еще не являлись частью многоклеточного организма. Таким образом, нынешние преимущества апоптоза – жесткой полицейской системы многоклеточного организма – не имели силы.

Это парадокс. Судя по всему, специализированная машина смерти была никому не нужна. Казалось бы, естественный отбор должен был избавиться от нее, но этого не произошло. Мы также знаем, что происхождение существенной части ее механизма связано с митохондриями. В довершение всего, водородная гипотеза, которую я так превозносил, утверждает, что эукариотическая клетка родилась от метаболического союза двух мирно сосуществующих клеток, которым не было выгодно убивать друг друга. Кажется, я завел вас в тупик. Одна из клеток протащила в мирный союз налаженную машину смерти, вредную для обоих членов союза; несмотря ни на что, эта машина сохранялась на протяжении нескольких сотен миллионов лет, пока наконец ей не нашлось применение. Можно ли найти логичное обоснование этому безумному сценарию? Да, можно, но только если мы готовы на уступку. Машина смерти не всегда вызывала смерть. В один прекрасный день она вызвала появление пола.

Секс и смерть

Давайте рассмотрим первых эукариот с точки зрения водородной гипотезы, предполагающей мирное сосуществование. Во введении к части 5 книги мы обсуждали, что естественный отбор может действовать на разных уровнях – на уровне особи, ее клеток, митохондрий и, конечно, генов. Мы видели, что когда речь идет о клетках, которые, как бактерии, размножаются бесполым путем, не всегда правильно считать, что естественный отбор действует на уровне генов. В таких случаях отбор в основном работает на уровне отдельных клеток, которые и есть истинные самовоспроизводящиеся единицы. Эти соображения сейчас нам очень пригодятся, потому что мы должны по отдельности рассмотреть интересы митохондрий и интересы содержащих их клеток на заре существования эукариотического симбиоза. Тогда и тех и других можно было считать отдельными клетками (в следующих главах мы увидим, что такой подход может оказаться полезным, даже когда речь идет о современности).

Так какими же были частные интересы протомитохондрий и клеток-хозяев? И как, учитывая сочетание автономии и неустойчивой взаимозависимости, они вообще могли действовать в своих интересах? Убедительный ответ на этот вопрос предложили в 1999 г. двое ученых: Нейл Блэкстоун, один из самых плодотворных мыслителей в области эволюционной биохимии (Университет Северного Иллинойса, США), и Дуглас Грин, один из первых исследователей высвобождения цитохрома с при апоптозе (Калифорнийский университет в Сан-Диего, США).

Митохондрии, как и все клетки, должны пролиферировать, то есть размножаться с увеличением числа клеток. После того как они связали свою судьбу с судьбой хозяина, убивать его и находить следующего не было смысла, так как вне клетки они бы не выжили. Кроме того, есть предел размножения митохондрий в одной клетке: митохондриальный «рак» погубил бы и клетку и митохондрии. Таким образом, успешное размножение митохондрий возможно только параллельно с размножением клетки-хозяина. Когда она делится, популяция митохондрий должна удвоиться, чтобы обеспечить митохондриями дочернюю клетку. Конечно, клетка-хозяин тоже спит и видит, как бы ей поделиться, поэтому ее интересы и интересы митохондрий совпадают. В противном случае этот союз вряд ли продолжался бы два миллиарда лет. Он бы распался в самом начале, и мы бы сейчас не ломали голову над этой проблемой, потому что нас не было бы.

Но интересы митохондрий и клетки-хозяина не всегда совпадают. Что произойдет, если клетка-хозяин по какой-то причине откажется делиться? Ясно, что ее митохондрии тоже не смогут размножаться (ну, то есть они могли бы, но только до определенного предела, а потом разрушили бы клетку и себя самих вместе с ней). Исход зависит от того, почему клетка-хозяин отказалась делиться. Скорее всего, причиной было отсутствие пищи. В части 3 мы говорили о том, что, несмотря на огромный потенциал в плане размножения, бактерии проводят большую часть жизни в заторможенном состоянии. То же самое, скорее всего, относилось и к ранним эукариотам. Если так, им оставалось только подтянуть кушаки и ждать обеда, после которого можно снова начинать размножаться. Интересы митохондрий и клетки-хозяина снова совпадали: если митохондрии будут вынуждать хозяина делиться в условиях нехватки ресурсов, они погибнут вместе с ним. Куда лучше направить оставшиеся ресурсы на повышение устойчивости к вероятному в период лишений физическому стрессу – жаре, холоду, ультрафиолету. В таких случаях многие клетки образуют устойчивую спору, переживая неблагоприятные условия в состоянии покоя и возвращаясь к жизни, когда все налаживается.

Кроме того, клетке могло помешать делиться повреждение, в том числе повреждение ядерной ДНК. Тут интересы хозяина и митохондрии начинают расходиться. Предположим, что пищи много, но клетка-хозяин тем не менее не делится. Я прямо вижу, как митохондрии кричат, прижимаясь лицом к решетке: «Выпустите нас! Мы не сделали ничего плохого!» Тем временем соседние клетки, посмеиваясь, продолжают делиться, и их митохондрии радостно делятся вместе с ними. Что же делать митохондриям, которые оказались в ловушке? Убивать хозяина невыгодно, тогда они погибнут сами. Хорошо бы заставить клетку-хозяина слиться с другой клеткой и рекомбинировать ДНК с ДНК партнера. Рекомбинация ДНК обычна у бактерий и является основой пола у эукариот. Слившаяся клетка получает шанс на новую жизнь, а митохондрии – место, где можно размножаться.

Учитывая, что половой процесс – крайне затратная вещь, ожесточенные споры о том, почему он возник, бушуют до сих пор. Скорее всего, вклад внесли несколько факторов. Уильям Хамильтон предполагал, что половой процесс «маскирует» повреждения ДНК (поврежденный ген, вероятно, окажется в паре с неповрежденной копией того же гена), а генерируемая рекомбинацией изменчивость может давать клетке преимущества в борьбе с паразитами. Последние данные говорят о том, что ни одной из этих причин по отдельности недостаточно, чтобы объяснить возникновение полового процесса. Однако они не противоречат друг другу, а преимущества полового процесса, по всей видимости, разнообразны. С другой стороны, его происхождение окутано тайной. У бактерий есть рекомбинация, но нет слияния клеток. Напротив, у большинства эукариот при половом размножении происходит слияние двух клеток, затем слияние их ядер и, наконец, рекомбинация их генов (самое «обязывающее» из всех этих действий). Почему эукариотические клетки вообще стали сливаться? Понятно, что утрата бактериями неудобной клеточной стенки сделала сам физический акт слияния в принципе возможным, но потребности сливаться это не объясняет. Может быть, это митохондрии заставили эукариотические клетки сливаться друг с другом? Может быть, половое слияние – это тоже митохондриальная диверсии? Том Кавалье-Смит, с которым мы встречались в части 1 книги, говорил, что у первых эукариот слияние клеток, скорее всего, было обычным делом. Он утверждает, что деление клетки при половом процессе (мейозе), когда число хромосом сначала удваивается, а потом снова делится пополам, произошло за счет нескольких простых шагов как способ восстановления исходного числа генов и ядер после слияний клеток. Тогда слияние должно было бы произойти в любом случае, а митохондрии могли просто агитировать за него.

Могут ли митохондрии манипулировать клеткой, в которой находятся? Это серьезный вопрос. Мы знаем, что современные митохондрии могут, ведь они вызывают апоптоз. Но могли они манипулировать эукариотической клеткой на заре ее существования? Нейл Блэкстоун предположил, что они делали это очень хитрым способом, который объясняет и неудержимую тягу к слиянию, и происхождение апоптоза.

Свободные радикалы подают сигнал

В части 3 мы уже обсуждали утечку свободных радикалов из дыхательной цепи. Как ни парадоксально, скорость утечки не соответствует скорости дыхания, как можно было бы ожидать, а зависит от наличия электронов (источником которых, по большому счету, является пища) и кислорода. Поскольку эти факторы постоянно колеблются, колеблется и число свободных радикалов. Внезапные вспышки образования свободных радикалов могут влиять на поведение клетки.

Если клетка быстро растет и делится, электроны быстро текут по дыхательной цепи, значит, ей нужно много пищи. Тогда утечка свободных радикалов относительно невелика. Дело в том, что они, как правило, переходят по линии наименьшего сопротивления от одного акцептора электронов к следующему и так до кислорода. Блэкстоун сравнивает такую дыхательную цепь с изолированным проводом. Предположим, быстрый рост и обильная пища означают, что утечка свободных радикалов невелика.

Что происходит при голодании? Теперь «топлива» меньше, и электронов в дыхательной цепи почти нет. Кислорода может быть много, но свободные радикалы не образуются, так как нет свободных электронов. Если сравнивать дыхательные цепи с электрическими проводами, то голод означает нарушение электропитания: если питания в сети нет, вас не ударит током. Утечка свободных радикалов невелика, потому что потока электронов нет вообще.

Но подумайте, что произойдет при повреждении клетки. Топлива у нее достаточно, но делиться она больше не может. Митохондрии в ловушке. Нет деления, нет и спроса на АТФ, и его запасы в клетке остаются большими. Скорость потока электронов по цепи зависит от скорости потребления АТФ. Если она высокая, то электроны текут быстро, словно их засасывает пылесос; но если потребления нет, то дыхательная цепь забивается свободными электронами, которым некуда деваться. Теперь достаточно и кислорода, и свободных электронов. Скорость утечки свободных радикалов значительно выше. Дыхательная цепь ведет себя как провод с поврежденной изоляцией, а такой провод опасен. Поврежденные клетки, которые не растут и не делятся, несмотря на обилие пищи, получают от своих митохондрий удар током – внезапный выброс свободных радикалов[62]62
  Как мы говорили в части 4, образования большого числа свободных радикалов при блокировании цепи можно избежать. Для этого нужно разобщить поток электронов и производство АТФ (см. также часть 2). Протонный градиент рассеивается в виде тепла, и образуется меньше свободных радикалов. Это явление могло способствовать возникновению эндотермности.


[Закрыть].

Любой выброс свободных радикалов приводит к окислению липидов митохондриальных мембран и высвобождению цитохрома с в межмембранное пространство. Это, в свою очередь, полностью блокирует поток электронов по цепи, так как цитохром с является ее неотъемлемой частью. Удалить из цепи цитохром с – все равно что перерезать провод под напряжением. Первая часть цепи задыхается от избытка электронов, и в ней продолжается утечка свободных радикалов; так, оставшаяся под напряжением часть перерезанного провода может ударить током. Но в результате остановки потока электронов мембранный потенциал постепенно рассеивается (так как утечка протонов больше не компенсируется их закачкой). По мере нарастания стресса поры в наружной митохондриальной мембране открываются, и апоптотические белки, включая цитохром с, выходят в цитозоль. Иными словами, эти обстоятельства стимулируют первые этапы апоптоза.

Какой из этого можно сделать вывод? Интересы митохондрии и клеток, в которых они находятся, в большинстве случаев совпадают. Если и те и другие размножаются, все хорошо. Клетка находится в восстановленном (то есть не окисленном) состоянии, но утечка свободных радикалов минимальна. Напротив, если ресурсов мало, никто из участников не может размножаться, и клетка старается повысить устойчивость, чтобы дожить до лучших времен. Она теперь находится в окисленном состоянии, и утечка свободных радикалов снова минимальна. А вот когда клетка-хозяин повреждена и не может делиться, несмотря на обилие пищи, митохондрии сигнализируют о своем недовольстве выбросом свободных радикалов. Принципиально важно, говорит Блэкстоун, что свободные радикалы атакуют ДНК в ядре клетки (а выброс цитохрома с в цитозоль способствует образованию свободных радикалов). У дрожжей и других примитивных эукариот повреждение ДНК служит сигналом к половой рекомбинации. Что еще удивительнее, у примитивной многоклеточной водоросли Volvox carteri (под микроскопом она выглядит как светящийся зеленый шар необычайной красоты) двукратное повышение уровня образования свободных радикалов активирует половые гены, приводя к образованию новых половых клеток (гамет). Важно, что этот эффект можно вызвать, блокировав дыхательную цепь. Итак, теорию Блэкстоуна можно подкрепить конкретными примерами. Суть в том, что первые этапы апоптоза в одиночных клетках когда-то могли стимулировать не смерть, а половой процесс.