«Роль горизонтального переноса генов в эволюции»

С.В.Шестаков
Институт общей генетики им. Н.И.Вавилова РАН (Москва)

В 2001 в статье Н. Л. Добрецова с соавторами, опубликованной в «Вестнике ВОГиС», были сформулированы вопросы для обсуждения на наших теоретических семинарах. Большое внимание было уделено движущим силам эволюции, триггерным механизмам, которые меняют направления и темпы эволюции. Эти проблемы я и буду рассматривать сегодня на основе достижений геномики — науки, которая изучает структурно-функциональную организацию генома, представляющего собой совокупность генов и генетических элементов, определяющих все признаки организма. Термин геномика появился в 1987 году, а первый полный бактериальный геном был расшифрован в 1995 году. За прошедшие 8 лет определена нуклеотидная последовательность десятков геномов прокариот и эукариот и стало очевидным, что традиционные представления о филогении, базирующиеся на дарвинистических представлениях о дивергенции недостаточны для понимания генеалогии видов. Филогенетические деревья, построенные на основе молекулярного анализа гомологии отдельных генов, в частности, кодирующих рибосомальные РНК, позволяют судить о степени генетического родства организмов, но не дают однозначного ответа о происхождении и эволюционной судьбе многих генов. Дело в том, что «ветвление» таких деревьев по схеме бифуркации отражает только принцип вертикальной эволюции, в ходе которой наследуется базовый набор предковых ортологичных генов (сходных у разных организмов). В результате дупликаций, мутаций и рекомбинаций из них образуются паралогичные гены, (сходные в составе одного генома), которые увеличивают белковый арсенал и диапазон фенотипических вариаций, отражающих усложнение клеточных систем и регуляторных механизмов. В этом суть вертикальной эволюции «вверх». Нередко это направление называют «прогрессивной эволюцией», что терминологически не совсем точно. Другим направлением (путь «вниз») является редукционная эволюция, в процессе которой происходит сокращение числа генов, утрата функций, путей метаболизма, органелл, генеративных систем и т.д. Редукционная эволюция отсекает «ненужное» при оптимизации физиологической приспособленности организмов к определенной экологической нише. Например, для большинства патогенных бактерий характерна потеря многих генов, так как эти облигатные паразиты используют для своей жизни метаболические системы клетки «хозяина» и не нуждаются в собственных аналогичных системах. Чем выше зависимость от условий экониши, тем меньше нужно генов для адаптации. У некоторых протистов в ходе адаптивной эволюции систем энергетики произошла утрата митохондрий, хотя в ядре сохранилось немало генов, предназначенных для обслуживания этой органеллы.

Третье ключевое направление эволюционного процесса связано с горизонтальным (латеральным) переносом генов между организмами, как близкородственными, так и филогенетически отдаленными, принадлежащими даже к разным царствам. Горизонтальный перенос генов является главным источником инноваций, инструментом быстрого приобретения и возникновения новых генов, способных радикально изменить свойства клеток, расширить их адаптационный потенциал.

Изменчивость организмов в результате горизонтальной передачи генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации — процессы коньюгации, трансдукции, трансформации, процессы переноса генов в составе векторов — плазмид, вирусов, мобильных элементов. Активный перенос генов может происходить в симбиотических, паразитарных или ассоциативных системах, где осуществляется физический контакт клеток. В сущности, современная генетическая инженерия, использующая разного типа векторы, базируется на принципах горизонтального переноса генов, хотя еще недавно не было четкого понимания того, что такого рода генная инженерия широко распространена в природе и играет важную роль в эволюции. И только работы в области геномики в последние 10 лет доказали, что горизонтальный перенос генов был и остается (особенно в мире прокариот) одним из главных механизмов видообразования. Конечно, в ходе вертикальной эволюции повышалась степень автономизации организмов, возникали и совершенствовались барьеры, препятствующие горизонтальным генным переносам и «размыванию» геномов. Это касалось и ограничения контактов между организмами, механизмов проникновения и транспортировки молекул ДНК, действия систем рестрикции, разрушающих «чужую» ДНК, репаративных механизмов, обеспечивающих стабильность собственных геномов. Поэтому частота горизонтальных переносов была наиболее высокой на ранних этапах становления биосферы и снижалась по мере эволюции высших эукариот с усложнением организации генетического аппарата и развитием систем репродуктивной изоляции.

Горизонтальный перенос генов можно выявить по ряду показателей. Во-первых, по нуклеотидному составу ДНК (ГЦ-содержание), который является видоспецифичным признаком. Отличие в нуклеотидном составе отдельного сегмента от остальной части генома является указанием на присутствие «чужих» генов; иногда это целые кластеры, содержащие профаги, мобильные элементы, «островки» патогенности и т.д. Во-вторых, по частоте встречаемости в гене определенных кодонов. В генах каждого вида преимущественно используется ограниченный набор кодонов. Например, в гене gap у кишечной палочки содержится 20 лейциновых кодонов, но из 6 синонимичных триплетов кодон CTG встречается 19 раз, а кодон TTA только один раз. В гомологичном гене Bacillus subtilis кодон CTG вообще не используется, а преимущественно встречается TTA кодон. Таким образом, «чужие» гены легко обнаружить по отличию в частоте встречаемости кодонов. При этом, однако, надо учитывать, что в ходе длительной эволюции происходит амелиорация нуклеотидного состава, т.е. процесс унификации использования кодонов за счет мутаций и рекомбинации. «Чужие» гены становятся неотличимыми от своих собственных. Третий важный критерий — существенное отличие в положении анализируемого гена на филогенетическом дереве от большинства других генов. О «чужеродном» происхождении гена может говорить и высокая степень его сходства с гомологичным геном из отдаленного таксона при отсутствии подобного гена у филогенетически близких «родственников». Например, в случае, когда типично эукариотический ген вдруг обнаруживается у какого-то одного вида бактерий, а у других бактерий этого гена нет.

На основе применения рассмотренных выше критериев можно достаточно легко выявить «вкрапления» в геном чужих сегментов ДНК, приобретенных в результате горизонтального переноса. Возможно три варианта переносов: 1) Приобретение нового гена, для которого нет гомолога в собственном геноме и в геномах филогенетически родственных организмов. В этом случае возникает принципиально новое качество; 2) Приобретение паралогичного (структурно похожего) гена с генетически отдаленным родством. В результате такого переноса увеличивается функциональное разнообразие белков в клетке; 3) Приобретение нового гена ксенолога, функционально замещающего свой собственный ген, который при этом, как правило, элиминируется. Новый и старый гены структурно различаются между собой, но обеспечивают аналогичные физиологические функции.

Какую выгоду может получить организм, приобретая чужой ген путем горизонтального переноса?

1. Новый путь биосинтеза или катаболизма, обеспечивающий организму преимущества в изменившихся условиях; например, появление способности утилизировать новый субстрат.
2. Повышение устойчивости к антибиотикам, токсинам, патогенам, подавляющим рост клеток данного вида; через горизонтальный перенос могут быть получены и гены, ответственные за средства «нападения», характерные, например, для патогенных микроорганизмов.
3. Замещение предсуществующих генов такими генами, продукты которых увеличивают эффективность функционирования клеточных систем: например, повышение термоустойчивости, резистентности к ингибиторам, оптимизация кинетических характеристик белка, интеграция в сложные комплексы и т.п.
4. Приобретенные гены могут оказаться и функционально нейтральными, дублирующими уже имеющиеся гены; такие дополнительные гены являются страховкой для организма в тех случаях, когда свой собственный ген будет поврежден мутацией или «замолчит» из-за нарушения в системах регуляции.

Приобретение «чужих» генов может изменить направление эволюции вида, существенно повлиять на фенотип организма, на его способность к адаптации в экологическом сообществе. Новый ген может дать начало новой субпопуляции, которая способна вытеснить предсуществующий вид. Горизонтальный перенос генов способствует ускорению эволюционного процесса, по сравнению с градуальным накоплением мутаций или внутригеномными перестройками. Конечно, при этом не отрицается селективное значение мутационных утрат какой-то функции и важная эволюционная роль мутаций в генах, контролирующих стабильность генома (системы репликации, репарации, модификации ДНК и т.д.) и механизмы регуляции и координации генного действия.

В таблице 1 приведены некоторые данные о горизонтальном переносе генов у прокариот, полученные при полногеномном анализе большого числа видов бактерий и архей. Эти сведения позволяют сделать ряд обобщений, касающихся закономерностей латерального генного переноса.

Табл. 1
Горизонтальный перенос генов у архей и бактерий

Вид	число генов в геноме	перенесенные гены
		количество	% в геноме
АРХЕИ
Archaeoglobus fulgidus Methanococcus jannaschii Pyrococcus horikoshii Aeropyrum pernix	2407 1715 2064 2694	179 77 154 370	8.4 5.0 7.6 14.0
ПАТОГЕННЫЕ БАКТЕРИИ
Mycoplasma pneumoniae Chlamydia trachomatis Rickettsia prowazekii Treponema pallidum Haemophilus influenzae Helicobacter pylori Mycobacterium tuberculosis	677 894 834 1031 1709 1553 3918	39 36 28 77 96 89 187	5.9 4.3 3.6 8.3 6.2 6.4 5.0
СВОБОДНОЖИВУЩИЕ БАКТЕРИИ
Aquifex aeolicus Thermotoga maritima Escherichia coli Pseudomonas aeruginosa Bacillus subtilis Synechocystis sp.	1552 1846 4289 4036 4110 3169	72 198 381 411 537 219*	4.8 11.6 9.6 10.1 14.8 7.5
Из обзора: Koonin E.V., Makarova K.S., Arvind L. 2001. Annual Rev. Microbiol. v.55: 709-42

1. Доля латерально полученных генов варьирует у разных видов и может достигать 10-15% от общего числа генов в геноме.
2. Наибольшее количество переносов характерно для свободноживущих бактерий с широкими экологическими ареалами (почвенные бациллы, псевдомонады и др.).
3. Наименьшее число переносов обнаружено у большинства патогенных бактерий, живущих в узких эконишах; эти переносы, однако, весьма важны, так как определяют такие признаки как вирулентность и токсичность.
4. Переносы специфичны, поскольку приобретенный ген обнаруживается, как правило, только в клетках определенного вида или даже штамма.
5. Реже всего в горизонтальные переносы вовлечены гены информационных систем (транскрипции, трансляции, репликации), составляющие базовый геном. Продукты этих генов входят в сложные белковые комплексы, где «чужие» белки не встраиваются или не функционируют. Исключением являются гены, кодирующие аминоацил-тРНК-синтетазы, что связано с особенностями работы изоакцепторных транспортных РНК.
6. Чаще всего в горизонтальном переносе участвуют гены операционных систем, обслуживающих метаболизм, транспортные пути, механизмы сигнальной трансдукции. У многих бактерий среди латерально привнесенных генов большую долю составляют функционально неизученные гены и гены, не имеющие сходных ортологов в реципиентном организме.
7. В составе приобретенных сегментов ДНК часто обнаруживаются профаги, плазмиды, кассеты резистентности, гены белков, участвующих в процессах сайт-специфической и «незаконной» рекомбинации, обеспечивающей интеграцию «чужих» генов.

В большинстве случаев трудно определить, какие конкретно организмы могли быть донорами в горизонтальном переносе, поскольку сравнительная геномика дает информацию, в основном, о степени сходства гомологичных генов в разных геномах. Только в случае филогенетически близкородственных видов или штаммов (например, для двух штаммов с разной степенью вирулентности) можно предположительно судить о приобретении или утрате определенного участка генома. В переносах же между представителями разных царств невозможно определить природу первичного донора и реципиента даже в случаях предполагаемого переноса признака термофилии от архей в клетки бактерий. Косвенно о направлении такого переноса можно судить только тогда, когда у многих видов архей какие-то гены встречаются часто, но обнаруживаются в геноме только одного или весьма ограниченного числа видов бактерий. В частности, на этом основании говорят о возможном переносе генов из термофильных архей в клетки предшественников современных термофильных видов бактерий Thermotoga maritima и Aquifex aeolicus. У этих бактерий около 15% генома составляют типично архейные гены, которых нет у других бактерий. Это пример адаптивного переноса генов, хотя неясно обеспечил ли он этим бактериям завоевание новой экологической ниши, или перенос произошел вследствие контактов клеток бактерий и архей в общей эконише.

По критериям гомологии на геномном уровне горизонтальные переносы генов легко выявляются не только у прокариот, но и у эукариот, в ядерном геноме которых немало генов бактериального или архейного происхождения. Это результат перемещения в ядро генов из митохондрий или хлоропластов, возникших на базе прокариотических геномов, претерпевших редукционную эволюцию. Обсуждается и другая причина мозаичного строения ядерных геномов эукариот — за счет интеграции чужеродных фрагментов ДНК, поступающих с пищей, например, при поедании бактерий протистами.

Геномный анализ показал, что горизонтальный перенос генов может происходить и в обратном направлении — от эукариот в клетки прокариот. Это возможно в условиях тесных физических контактов в симбиотических или паразитических системах, при наличии челночных векторных переносчиков. Например, предполагается, что донором эукариотического гена термоустойчивой аминоацил-ТРНК-синтетазы у археи Pyrococcus могли быть полихеты. В геноме патогенных бактерий риккетсии и хламидии обнаружено около 20 эукариотических генов. Среди них несвойственные прокариотам гены белков, транспортирующих АТФ и АДФ. Эти транспортные системы позволяют патогенным бактериям «выкачивать» энергию из клетки хозяина, не затрачивая собственные ресурсы. Другие эукариотические гены, приобретенные патогенными бактериями путем горизонтального переноса, обеспечивают «нападение» на клетку хозяина — это ферменты протеолиза, ингибиторы иммунного ответа, рецепторные белки, облегчающие патогенам проникновение в клетку хозяина. Подобного рода горизонтальные переносы генов, по-видимому, происходили сравнительно недавно в процессе превращения непатогенных штаммов в патогенные. Характерно, что у риккетсии (возбудителя тифа) немало генов гомологичных генам животных, а в геноме хламидии (возбудителя трахомы) больше генов, типичных для растений (табл.2). Это указывает, во-первых, на различия в путях горизонтального переноса у этих филогенетически далеких друг от друга бактерий, а во-вторых, позволяет предполагать, что предки хламидии были сперва паразитами растений, а затем уже переключились на животных. Не исключено, что переносы генов патогенности шли между риккетсиями и хламидиями, живущими в одной экологической нише в организме млекопитающих.

Поскольку гены являются сложными структурами и содержат различные домены, ответственные за разные функции в белковом продукте, то, очевидно, что через горизонтальный перенос могут передаваться не только целые гены или блоки генов, но и фрагменты генов, содержащие отдельные домены. Гены как дискретные единицы могут элиминироваться, но их домены в результате рекомбинационных событий становятся сегментами других генов или участвуют в образовании новых генов. Таким образом, в геномном анализе важно определять не только степень гомологии целых генов, но и наличие доменов в необычных сочетаниях. Встраивание нового домена может менять локализацию белкового продукта в клетке, узнавание и передачу сигналов, и многие другие характеристики, влияющие на физиологическую функцию гена. Выявлено более 40 случаев появления «чужих» доменов, приобретенных сравнительно недавно и еще не подвергшихся амелиорации в составе генов, кодирующих различные белки. В частности, это домены, ответственные за белок-белковые и ДНК-белковые взаимодействия, т.е. участвующие в сборке сложных комплексов или в регуляции действия генов. Как правило, происходит рекомбинационное слияние домена из латерально привнесенного гена с резидентным геном, причем партнерами могут быть и филогенетически отдаленные организмы. В сущности, это то, что соответствует задачам генной и белковой инженерии по искусственному созданию белков с новыми свойствами. Поэтому так важно выяснить механизмы перекомбинации доменов, лежащие в основе возникновения новых генов (и новых видов организмов) в результате горизонтального переноса генов.

Суммируя представления о роли горизонтального переноса генов в биологической эволюции можно сделать следующее заключение.

Во-первых, геномика не дает информации о том, какие конкретные виды организмов были первичными донорами генов. Обнаруживаемые в геномах чужеродные гены могли попасть туда через цепочку промежуточных хозяев. Согласно схеме Ф.Дулитла, автора термина «Латеральная геномика», на самых ранних этапах эволюции существовало общее генное «коммунальное хозяйство» в неустоявшихся предковых клетках, между которыми происходил активный горизонтальный обмен генами. В этот период шло накопление генетической информации с последующей автономизацией клеток, давших начало отдельным таксономическим линиям. Картина эволюционных связей в мире предковых прокариот представляла собой не столько ветвящееся дерево, сколько своего рода мицелий с переплетенной сетью горизонтальных переносов в самых разнообразных и неожиданных направлениях, диктуемых возможностями физических контактов клеток в общих или перекрывающихся экологических нишах. Поэтому и геномы прокариот и эукариот мозаичны. Данные геномики позволяют утверждать, что в ходе эволюции происходили массивные генные переносы как внутри царств, так и между ними (рис.1).

Многие организмы (в первую очередь прокариоты) участвовали в горизонтальных переносах как «проточные» емкости. Если бы в процессе эволюции энтеробактерия Escherichia coli только приобретала, но не теряла гены, то размер ее генома должен был бы удвоится за 100 млн. лет с тех пор как произошла дивергенция с близкородственной бактерией Salmonella. Этот расчет сделан на основе применения метода «молекулярных часов». Но размер генома E.coli почти не изменился за это длительное время: геномный анализ выявил не только приобретение большого числа генов, но и отсутствие многих «старых» генов, обнаруживаемых у сальмонеллы. «Захваченные» гены могут сохраниться в геноме, но могут и подвергнуться элиминации или переносу в клетки другого организма. Так как в ходе эволюции происходит амелиорация чужих генов, то по изменению нуклеотидного состава и частоты встречаемости кодонов можно выявить те гены, которые пришли давно, а какие появились недавно. Баланс генных потоков, приводящих к приобретению и утрате генов, определяет не только адаптивную изменчивость организмов, но и поддержание оптимизированного размера генома. Скорости генных потоков у разных групп организмов различны и влияют на темпы эволюции геномов. Геномный анализ позволяет сопоставить время приобретения и утраты определенных генов с геологическими эпохами, экологическими кризисами и региональной динамикой биоты (по крайней мере, в отношении геномов модельных видов прокариот и протистов).

Другое обобщение заключается в том, что не только сам геном, но и механизмы горизонтального переноса генов являются объектами эволюционного процесса. Эволюционируют каналы генетической коммуникации, механизмы рекомбинации, участвующие в «приживлении» или «отторжении» чужих генов. Методы геномики помогают исследовать закономерности эволюции механизмов рекомбинации, их роль в изменчивости организмов. Если в какие-то периоды глобальных геосферных и биосферных перемен меняется диапазон векторных систем (вирусов, плазмид, мобильных элементов и т.п.), повышается рекомбинационная активность и частота горизонтальных переносов генов, то увеличивается и вероятность приобретения новых генов, обеспечивающих селективные преимущества клеток. Это не менее важный фактор эволюции, чем изменение темпов спонтанного или индуцированного мутагенеза. Волны горизонтального переноса генов могут быть инициированы повышением плотности контактирующих популяций. Там, где нет активных контактов, не будет и эффективного переноса генов. Особенно результативны такие процессы в многокомпонентных сообществах, где взаимодействуют различные организмы, метаболически связанные между собой. Геофизические, климатические, экологические факторы, безусловно, влияют на уровень и диапазон латерального переноса генов и, тем самым, на темпы и направления биологической эволюции.

В рамках сальтационной теории неравномерной по темпам эволюции анализ механизмов и закономерностей горизонтального переноса генов дает новый ключ к изучению корреляции геосферных изменений и биологической эволюции на планете.