Имеет ли смысл прогрессивная эволюция? Часть I.

Имеет ли смысл прогрессивная эволюция?

В. В. Вельков, Институт биохимии и физиологии микроорганизмов РАН, 142290, Пущино, Московская область (velkov@ibpm.pushchino.ru)

Ключевые слова: эволюция, сложность, мутагенез, дупликации, субфункционализация, альтернативный сплайсинг, эгоистическая ДНК, C-value paradox, очищающий отбор, неадаптивное увеличение сложности.

Рассматриваются молекулярные механизмы прогрессивной эволюции, сопровождающейся увеличением сложности. Анализируются, в частности:

1. образование дупликаций с последующей субфункционализацией (дивергенцией) дуплицированных генов,

2. образование сателлитной ДНК и ретропозонов, приводящее к переформатированию геномов и, тем самым, к репродуктивной.изоляции,

3. альтернативный сплайсинг, генерирующий множество изоформ белков, кодируемых единым мозаичным геном.

Приводятся аргументы в пользу того, что прогрессивная эволюция происходит в основном за счет дупликаций и спонтанного увеличения количества эгоистической ДНК и не имеет адаптивного характера.

Is there a Sense in the Progressive Evolution?

Vassili V. Velkov, Institute of Biochemistry and Physiology of Microorganisms, Pushchino-on-the-Oka, Moscow region, 142290, Russia (velkov@ibpm.pushchino.ru)

Key words: evolution, complexity, mutagenesis, duplications, subfunctionalisation, alternative splicing, selfish DNA, C-value paradox, purifying selection, non-adaptive increasing of complexity.

The molecular mechanisms of the progressive evolution associated with the increasing

of complexity are reviewed. The most crucial molecular events directing the evolution, namely:

1. formation of duplications with the following subfunctionalisation,

2. formation of satellite DNA and retroposons resulting the reformatting of the genomes and leading to reproductive isolation,

3. alternative splicing generating multiple isoforms of proteins coded by a single mosaic gene are analyzed.

The arguments supporting the view, that the progressive evolution is not adaptive and is directed predominantly by duplications formation and by spontaneous generation of selfish DNA and by purifying selection are discussed.

Часть I. Игорный дом "Мутация" удваивает ставки.

Биологи до сих пор не удосужились формулировать,

что же такое прогрессивная эволюция.

Н. В. Тимофеев-Ресовский

Progressio (лат.) - движение вперед

Если не понятно, что такое прогрессивная эволюция - какой смысл говорить о ее смысле? Тем не менее... Наш выдающийся эволюционист А.Н.Северцов разработал понятие о биологическом прогрессе. И, наверное, та эволюция, которая к этому прогрессу приводит, и будет прогрессивной. А биологический прогресс - это (по Северцову) победа вида в борьбе за существование, достигнутая любой ценой. Критерии биологического прогресса - рост численности, расширение ареала, распадение на подчиненные таксоны. Если так - то самой прогрессивными будут одноклеточные безъядерные микроорганизмы (прокариоты). Ибо количество микробов в биосфере составляет астрономическую величину - 4-6х10 клеток, скорость продукции всех микроорганизмов планеты - 1,7х10 клеток в год (1). А ареал их распространения: температура - от -10С (психрофилы) до +105С (термофилы), рН - от 1,0 (ацидофилы) до 11,0 (алкалофилы), некоторые могут расти в присутствии высоких концентраций тяжелых металлов, в насыщенных растворах солей (галофилы), могут потреблять и свет и различные ксенобиотики, например, полиароматические углеводороды. Так что венец эволюции - Homo sapienes, с его численностью всего в 6х10 особей, "отдыхает". Но, с другой стороны, что же привело этот вид к высоким показателям IQ, к способности ходить по Луне, бродить по Интернету и спускаться в Марианскую впадину? И, тем самым, распространяться "вперед во все стороны"? А то ли еще будет?

Для пользы дела договоримся полагать прогрессивной такую эволюцию, которая ведет к усложнению, т.е., к появлению новых элементов (новых генов, новых типов клеток, новых органов и т.д.) и к увеличению количества связей между ними. Будем понимать сложность, как комплексность. Хотя, разумеется, более сложный отнюдь не значит более эффективный и тем более, более оптимальный, а, как с изумлением увидим позже - с точностью до наоборот.

Теперь переформулируем вопрос: каковы эволюционные механизмы, приводящие организмы к усложнениям, и в чем смысл этих усложнений? Для чего живые организмы усложняются и совершенствуются? Ради какой цели?

Эволюция движется естественным отбором. Точнее, как принято считать, двумя его типами. Направляющим и дизруптивным. Третья форма отбора - стабилизирующий.

Когда условия среды долго не изменяются, он, как полагалось, "никуда не движет", но благоприятствует - сохраняет особей, количественные признаки которых близки к средним значениям или равны ему. Стабилизирующий отбор действует постоянно, ибо слабо приспособленные формы постоянно возникают из-за постоянно идущей генетической изменчивости. Другой название стабилизирующего отбора - очищающий, он очищает популяцию от менее жизнеспособных особей.

Направляющий - это отбор, возникающий при изменении условий среды и благоприятствуют тем особям, у которых количественные значения характеристик отклоняются от их средних значений На такой отбор популяция отвечает сдвигом среднего значения признака (фенотипического оптимума), существенного для повышения жизнеспособности в изменившихся условиях среды.

Дизруптивный (или разрывающий) - отбор, благоприятствующий более, чем одному фенотипическому оптимуму, т.е. совершенно различным генотипам и действующий против промежуточных форм. Дизруптивный отбор может привести к дивергенции и изоляции - состояниям, при которых оптимумы, представлены особями, образующими локально адаптированные "субпопуляции". При длительном дизруптивном отборе популяция расщепляется на две или более субпопуляций, что может приводить к репродуктивной изоляции (субпопуляции перестают скрещиваться между собой) и затем к - дивергентному видообразованию.

И теперь вспомним последний вопрос Н В Тимофеева-Ресовского, который он сформулировал в своей последней публикации: "Обязательно ли длительное действие естественного отбора приводит к прогрессивной эволюции?" (2). На первый взгляд вопрос кажется очень простым. Если генетическая изменчивость идет постоянно и если условия среды постоянно меняются, разумеется - да. Но разве естественный отбор не действовал и не действует на микробов? Или ДНК у них "железная", не мутирует? Что же у них не сложилось с увеличением сложности? Начнем, однако, с самого начала.

Склонившись над бездной прошлого, будем наблюдать ее меняющуюся окраску. Из века в век цвет сгущается. Вот-вот что-то вспыхнет на молодой Земле.

Жизнь! Вот Жизнь!

Пьер Тейяр де Шарден

Жизнь - это самовоспроизведение системы из элементов среды, которая ее окружает. Если молекула способна к самовоспроизведению, если она сама строит себя из того, что вокруг нее - это жизнь. Совершено неожиданно при исследовании генов эукариот были обнаружены "молекулярные ископаемые" - остатки древнейших живых молекул - рибозимов, до сих пор сохранивших некоторые из своих удивительных свойств. Рибозим - это фермент (энзим), представляющий собой линейную молекулу РНК, трехмерная структура которой определяется последовательностью нуклеотидов. Рибозимы способны осуществлять ферментативную, или, иначе говоря, энзиматическую функцию. Названы они были от англ. ribonycleic acid enzyme. До их открытия считалось, что ферментами могут быть только молекулы белков. Но оказалось, что рибозимы, так же как и ферменты белковой природы, способны осуществлять практически весь спектр ферментативных реакций (3). Более того, одна из самых основных молекулярных строительных машин клетки - рибосома, осуществляющая трансляцию (декодирование) генетической информации при биосинтезе белков, также имеет рибозимную активность (4). Но самое волнующее свойство некоторых рибозимов - их способность к размножению: они могут самовоспроизводиться Некоторые рибозимы могут быть одновременно и своим собственным геном (матрицей для синтеза собственных копий), и энзимом, который такой синтез (репликацию) осуществляет. И создает, тем самым, свою копию из четырех нуклеотидов (находящихся в растворе), полимеризуя их в той же последовательности, в какой они расположены в его гене. Получившиеся две молекулы могут затем размножиться до четырех. Затем до восьми и ...лишь бы хватило нуклеотидов. Полагается, что жизнь зародилась в виде автореплицирующихся рибозимов, создавших Мир РНК. Из Мира РНК, населенного рибоорганизмами, (следов которых пока не найдено) образовался Мир ДНК, в котором генетическую информацию несет ДНК (5,6).

Но где же эволюция? Ведь возрастает только количество (молекул), но их качество, вроде бы, не изменяется? Источник эволюции - случайные ошибки, возникающие при репликации. Копирование никогда не происходит с абсолютной точностью. Первый тип ошибок, которыми движется эволюция - так называемые точечные мутации, изменяющие правильный нуклеотид на неправильный (не комплиментарный). Или приводящие к вставке лишнего нуклеотида, или к выпадению нужного. Не абсолютно точное копирование РНК приводит к тому, что изменившаяся последовательность нуклеотидов изменяет и функции рибозима, например, увеличивает скорость его авторепликации. И тогда потомки такого "счастливого" мутанта получат преимущество и заполнят собою "сушу и воды". Однако вредные мутации возникают гораздо чаще, чем полезные. А вредная мутация замедлит самовоспроизведение, и такие мутантные молекулы "вымирают". Это уже дарвиновская эволюция молекул. Естественный отбор в которой направлен на увеличение скорости их размножения. И который должен привести к тому, что планетарный океан будет заполнен наиболее быстро автореплицирующимися "живыми" молекулами.

Но где же усложнение и совершенствование? В данном контексте самый совершенный - наиболее быстро реплицирующийся. На этом эволюция должна была бы и остановиться, если бы не...

Тут он открыл ей тайну, за которую всякий из нас дорого бы дал.

Молодые игроки удвоили внимание.

Пушкин

Если бы не удвоение генов. Этот тип мутаций, возникающих при репликации, называют дупликациями. Новосинтезированная линейная молекула не отделяется от исходной матрицы, чтобы затем существовать независимо, а из-за ошибки репликации присоединяется к концу матрицы, с образованием дупликации исходного гена. Из гена АБВГД образуется [АБВГДабвгд], а не [АБВГД] + [абвгд]. Такой новый рибозим, состоящий уже из двух идентичных генов, кодирующих одну и ту же функцию (имеющих один и тот же смысл), также может реплицироваться. И при этом, разумеется, все по той же причине ("no one is perfect"), при его репликации так же происходят точечные мутации, ухудшающие или улучшающие его самовоспроизведение. Чаще всего, разумеется, ухудшающие. Предположим, что такая мутация (обозначим ее звездочкой - *) произошла в первом гене АБВ*ГДВабвгд. В таком, слегка "ослабенном", но все еще реплицирующемся тандемном рибозиме, дальнейший мутационный процесс может привести к случайному возникновению мутации, восстанавливающей эффективность репликации. Это отнюдь не означает, что в результате такой мутации в точности восстановится исходная последовательность АБВГДабвгд. Такая восстанавливающая (супрессорная) мутация может произойти и во втором гене и привести к образованию структуры типа АБВ*ГДабвг*д. Функция (смысл) такой структуры стала такой же, как и у исходной дупликации АБВГДабвгд, но теперь эта функция определяется двумя, похожими, но уже разными генами ("синонимами") АБВ*ГД и абвг*д. Этот процесс в молекулярной генетике назван субфункционализацией. В ее результате и происходит дифференциация функций дуплицированных генов, увеличение их специализации (7).

В целом, причина образования новых генов, это два случайных процесса: ошибки копирования при репликации и образование дупликаций. И затем, под действием отбора, сохраняющего общий "смысл" (жизнеспособность), происходит сужение "смысла" каждого из удвоенных генов, что может приводить к расширению исходного общего смысла всей дуплицированной области (7). Из-за случайной дупликации и случайных точковых мутаций то, что раньше "делал" один ген. теперь делают два, которые друг без друга существовать уже не могут. Вот и усложнение,. первопричина которого - случайные удвоения генов.

Но эволюция изобрела и другой механизм создания новых генов. Представления о нем возникли после открытия ошеломляющего строения генов эукариот.

По его команде ученики взялись за железные рукоятки, вставленные в края рамы,

и быстро повернули их. Все дощечки перевернулись,

и расположение слов совершенно изменилось.

Тогда профессор приказал <...> читать образовавшиеся строки

в том порядке, в каком они разместились в раме.

Если случалось, что три или четыре слова

составляли часть осмысленной фразы,

ее диктовали <...> ученикам,

исполнявшим роль писцов.

Свифт

Оказалось, что внутри генов эукариот всегда есть участки, которые информационного смысла не имеют и не кодируют ни полипептидов, ни стабильных РНК. Эти участки назвали интронами. Термин интрон образован из английских слов - intervening zone - зона, "перемежающая, смысловую последовательность гена. А те участки, которые смысл имеют, т.е. кодируют, были названы экзонами. Экзон - от expressing zone - экспрессируемая зона гена. Экзоны, как оказалось, кодируют так называемые модули (или домены) - части белковых молекул, играющие важную роль в функционировании белков. Белковые молекулы состоят из нескольких модулей. Как правило, экзон кодирует участок полипептидной цепи длиной 30-40 аминокислот. А большинство интронов имеет длину от 40 до 125 нуклеотидных пар (8). Но как работает такой ген? Состоящий из мозаики экзонов и интронов? А вот как:

Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю!

Бессмысленное слово, не так ли? Но если из него удалить все интроны? Тогда получиться сплайсинг. Именно этот процесс и необходим для реализации функции эукариотного гена - все не смысловые (не кодирующие) участки должны быть удалены. Но не из гена, а из комплиментарной ему РНК, которая должна быть синтезирована РНК-полимеразой. Термин "сплайсинг" в буквальном переводе означает "соединение". После вырезания интронов экзоны должны быть соединены.

Итак, чтобы эукариотный ген заработал, необходимо создать (путем транскрипции) комплиментарную РНК - копию мозаичного гена, состоящую из экзонов и интронов, из РНК интроны удалить, а экзоны объединить. Полученный окончательный транскрипт (теперь приобретший смысл) уже может быть использован для реализации его функции, для трансляции, например. Что важно, интроны из первичного транскрипта удаляются по очереди, а не все сразу. Вот так:

Спеолдрласитьцйсиитбцнгорлю

Спласитьцйсиитбцнгорлю + еолдр

Сплайсиитбцнгорлю+ еолдр + ситьц

Сплайсингорлю + еолдр + ситьц + итбц

Сплайсинг + еолдр + ситьц + итбц + орлю

Таким образом, если в гене есть N интронов, то для сплайсинга необходимо N стадий вырезания интронов и сшивания экзонов. И если в какой-нибудь стадии произойдет ошибка, например, при вырезании интронов будет вырезан один нуклеотид из экзона - это приведет к тому, что ген свою функцию не выполнит, и "наказанием" за такую неточность будет или смерть, или тяжелое нарушение жизнеспособности, что в ряду поколений кончится тем же летальным исходом.

Для чего же нужна такая умопомрачительная, весьма дорогостоящая и опасная, в случае ошибок, сложность? А для

Аищалцуюофеьолтжиуекеруюнабюутхаипровбюуньцфыйооопс     

(Продолжение следует)

Литература:

1. Whitman WB, Coleman DC, Wiebe WJ. Prokaryotes: the unseen majority. Proc Natl Acad Sci USA. 1998; 95(12):6578-83.

2. Тимофеев-Ресовский Н.В., Генетика. эволюция и теоретическая биология. Природа, 1980, 9, 62-65.

3. Spirin AS. Omnipotent RNA. FEBS Lett. 2002;530(1-3):4-8.

4. Steitz TA, Moore PB. RNA, the first macromolecular catalyst: the ribosome is a ribozyme. Trends Biochem Sci. 2003;28(8):411-418).

5. Di Giulio M. On the RNA world: evidence in favor of an early ribonucleopeptide world. J Mol Evol1997;45(6):571-578.

6. Forterre P, Genomics and early cellular evolution. The origin of the DNA world. C.R. Acad. Sci. Paris, Sciences de la vie / Life Sciences, 2001 324 1067-1076.

7. Prince VE, Pickett FB, Splitting Pairs: The Diverging Fates of Duplicated Genes. Nat Rev Genetics, 2002, 3, 827-837.

8. Fedorov A, Roy S, Cao Х, Gilbert W. Phylogenetically Older Introns Strongly Correlate With Module Boundaries in Ancient Proteins. Genome Research 2003, 13:1155-1157.