акад.С.В.Шестаков —
… Два года назад в статье Николая Леонтьевича с соавторами, опубликованной в «Вестнике ВОГИС», были сформулированы вопросы для обсуждения в бывших семинарах, и я исхожу из того, что мы можем обсуждать эти вопросы сегодня. В частности, касающиеся в большей степени биологических вопросов о движущих силах эволюции и о триггерных механизмах в системах, которые переключают направления, ну, и как-то обеспечивают изменение темпов эволюции. Вот об этом я немножко буду говорить на основе тех достижений геномики — науки, которая изучает структурно-функциональную организацию генома. А геном, как вы знаете, это физическая совокупность всех генов и генетических элементов, которые определяют все признаки организма. так вот, на основании этих последних достижений геномики, которая вообще возникла, на самом деле, термин в 1987 году, а впервые расшифрован геном с 1995 года, значит, какие-то 6-7 лет всего прошло. Но этого оказалось достаточно для того, чтобы совершенно четко представлять себе, что те филогенетические представления, которые базировались на бифуркации, на дивергенции, на дарвинистическом таком подходе, они в общем как бы сегодня должны, очень критически к ним нужно относиться, особенно в случае прокариот. Потому что если мы возьмем эти деревья филогенетические, построенные по разным генам, не только по консервативным (скажем, эписомальные РНК), по большому числу разных белков. А сейчас, если геном есть, по сути дела, там несколько тысяч генов можно посмотреть в сравнительной геномике, основываясь на том, что сейчас сиквенировано геномов более 60 микроорганизмов и более десятка эукариот. Таким образом уже есть некоторая база для того, чтобы проводить сравнение между геномами в целом, а не только по отдельным генам. Так вот, деревья, которые строили по отдельным генам, они все разные совершенно на самом деле. И не укладываются никак в представления, которые к 98-му году сформировались на основе вот этого дерева, от которого идет ответвление, начиная от какого-то гипотетического общего предшественника и кончая млекопитающими.
Одна из причин заключается в том, что до последнего времени, хотя и понимали, что это есть, но недооценивали роль двух других важных эволюционных процессов. И я начну как раз вот с этой картинки, просто чтобы напомнить, что речь идет о том, что для меня, например, такими ключевыми являются три основных направления в эволюционных процессах. Первое, это вертикальная эволюция. Это и есть то, что связано с дивергенцией, с бифуркацией, с ветвлением. И здесь передаются как бы ортологи. Ортологи, это одинаковые гены, сходные гены у разных организмов. Вот они в ходе эволюции как бы сохраняются, передавая информацию о базальных, очень важных характеристиках. На и основе в результате диупликации и других процессов образуются паралогичные гены, то есть те, которые не одинаковы, а сходны в одном геноме. И вот за счет этих паралогичных генов, вместе, конечно, с ортологами, обеспечивается специфичность организмов, характер усложнения клеток, интеграция и координация функций. Это вертикаль.
Что касается второго типа эволюционных процессов, редукционных, которые мне очень по душе (потом скажу, почему), это как бы вертикаль вниз. То есть, это сокращение числа генов, уменьшение функций, редукция функций, в конце концов даже редукция целых органеллов. То есть, это существенное сужение. Определяется это оптимизацией физиологической приспособленности организмов к определенной экологической нише. Причем, чем выше приспособленность, тем как бы ниже ниша. Ну, паразиты, например, которые потеряли довольно большое количество генов — я имею в виду паразитические бактерии патогенные. Они утратили очень большое количество генов. Они им не нужны, потому что они обеспечивают свою жизнь за счет клетки хозяина, используя ее энергетический ресурс, метаболический и так далее. И на самом деле роль редукционной эволюции ничуть не меньше, чем многих других направлений эволюционного процесса. Недаром мы сегодня с вами говорили, что вымирание, все это, на самом деле, тоже может быть реализовано через пути утраты, а не приобретения. Приобретения, например, за счет мутаций или геномных перестроек. Это очень важное отличие.
Ну и, наконец, то, о чем я сегодня буду говорить, сравнительно узкий вопрос, казалось бы. Это третий эволюционный процесс, процесс горизонтального переноса генов. Но на самом деле, наверное, он является основным источником инноваций. То есть. появление новых качеств на самом деле связано не с накоплением градуальным мутаций — это был бы длиннющий эволюционный процесс. Нет, это импульсные вещи, связанные с тем, что гены от одного организма могут переноситься в другой организм, привнося с собой новые качества принципиально, а иногда даже целую группу генов — патогенов, например.
акад.Н.Л.Добрецов —
А трансгенные растения?
акад.С.В.Шестаков —
Я скажу о них. Я просто из-за недостатка времени не буду сейчас развивать эту идею. Но завтра во время дискуссии я скажу, потому что это выходит за рамки эволюционных процессов, и всех интересует вообще что делать с трансгенными организмами. Как к ним относиться. Но все-таки одно слово по этому поводу я сейчас скажу. В одной фразе. Ясно, что если редукционная эволюция как бы отсекает все лишнее, и, кстати, амитохондриальные, скажем, протисты. Совсем недавно считалось, что с них начиналась эволюция. Сейчас предельно ясно, что это редукционная эволюция. Митохондрии потеряны. А гены, которые отвечают за работу митохондрий, в ядре все остались. Представляете? Гены, которые должны обслуживать митохондрии, есть, а самих митохондрий нет, потому что энергетика клеток совсем другая в изменившихся условиях.
Ну, ладно, возвращаюсь все-таки к горизонтальному переносу, потому что это ключевой момент в приобретении новых признаков, в приобретении новых генов. Причем такое приобретение, которое может приводить к радикальным изменениям свойств организма. Это источник быстрых, я подчеркиваю, адаптационных, эволюционных изменений. Но все три процесса, само собой разумеется, не действуют разобщенно, они все сопряжены, это совершенно очевидно. Они обеспечивают коэволюцию клеточных систем и самих организмов в сообществах, на самом деле, само собой разумеется.
Я напомню о том, чем определяется изменчивость организмов, о которой мы всегда говорим. В самом сокращенном виде. Я не буду говорить сейчас о механизмах изменчивости, связанных с мутациями, с геномными перестройками, с действием других факторов. Я обращу внимание только на нижнюю часть, где горизонтальный перенос генов, он же как-то должен осуществляться. Это то, что называется каналом генетических коммуникаций. Это может быть ДНК внеклеточная трансформация, это могут быть физические контакты, там где бактериальные клеточки физически контактируют, и хромосомы перетекают из одной в другую, передача с вирусами, любыми векторами. Это могут быть вирусы, это могут быть плазмиды, это могут быть мобильные элементы, — неважно. Важно, что это переносчик, вектор в генетическом измерении. Это поглощение с пищей, на самом деле. Например, многие бактериальные гены у протистов появились потому, что поедали просто и потом интегрировали в свой собственный геном. Само собой разумеется, перенос может быть в ассоциативных системах, симбиотических системах, паразитарных системах. То есть, по существу, всюду, где есть физический контакт, обеспечивающий перенос гена и, очень важно, его сохранение. То есть, я имею в виду защиту от разрушения, от деградации.
И это, на самом деле, есть ни что иное, как генетическая инженерия сегодняшняя. Она вся базируется на самом деле на горизонтальном переносе. И эта генетическая инженерия происходит и в природе, мы ничего не выдумали. Мы используем те же самые приемы, что и природа, но только мы ускоряем очень сильно этот процесс, а главное, с помощью всяких манипуляций мы сохраняем ген в новом окружении, в новом организме и даем возможность ему работать. Вот что сделал человек. Но 10-15 лет назад не было достоверных сведений о том, что такая генная инженерия существует в природе, то есть, что генетический перенос идет и имеет эволюционное значение, хотя сами идеи зародились давно, где-то в 70-е годы. Теоретические исследования. Очень активно тогда обсуждался этот вопрос, я помню, в книгах Кардю, если кому-то знакома эта фамилия. Он целую книжку написал, и она вызвала такое сопротивление, такие бурные дискуссии в начале 70-х годов. Сейчас, конечно, совершенно очевидно, что это один из основных инструментов инновации. И поэтому, поскольку геномика точно доказала, что этот процесс идет, что он шел особенно активно на ранних этапах эволюции, но он идет на самом деле и сегодня. Поэтому специально фразу читаю:
«Геофизические, геохимические, климатические, экологические, антропогенные факторы, безусловно, влияют на уровень и диапазон генных переносов, направленных горизонтально, и тем самым на темпы и на направления биологической эволюции».
На этом, на самом, деле я мог бы перейти сразу к заключению, потому что главная идея сказана. Но, наверное, будет нехорошо, если я не скажу, что представляют собой эти горизонтальные переносы, какие гены переносятся, и вообще какое отношение эти переносы имеют к филогении.
Выявить горизонтальные переносы сейчас достаточно легко. Дело в том, что несколько критериев. Ну, во-первых, вы знаете, что нуклеотидный состав видоспецифичен, это так называемый ГЦ-состав. Для каждого организма он свой собственный. И поэтому если вдруг в целом геноме один ГЦ-состав усредненный, и вдруг появляется какой-то фрагмент, который имеет ГЦ-состав совсем другой, он чужой. он привнесен. То же самое касается и частоты встречаемости кодонов. Это тоже видоспецифический признак, и у каждого организма есть свои предпочтения. То есть, он использует совершенно определенные группы кодонов. Ну, например, есть 6 синонимических кодонов, а в этом организме используются один, два, ну, три в разном соотношении. Ну, например, в каком-то гене … коли у кишечной палочки, скажем, 20 генов. То есть, 20 лициновых кодонов. Из них 18 определяются одним кодоном и только один другим кодоном. Я еще раз говорю, даже не буду вдаваться, почему. У другой бактерии, бациллиус субтюлис, все наоборот. Там один кодон используется, который у … коли был единственным, 15-20 раз, а другие синономические кодоны не используются. Таким образом по частоте встречаемости кодонов в целом в геноме достаточно легко увидеть, какой фрагмент чужой, а какой, вообще говоря, давным-давно свой собственный.
При этом надо иметь в виду, что на самом деле это относительно понятие. Почему? Потому что в ходе эволюции чужие гены становятся своими собственными. Происходит так называемая амелиорация, то есть, происходит усреднение — за счет мутаций, за счет генных перестроек, рекомбинаций частота встречаемости стремится к тому, что является основной, базовой структурой, и, естественно, те, которые были в каких-то фрагментах, скажем, отличаясь по нуклеотидному составу, они тоже довольно быстро (быстро — это многие миллионы лет) приходят к унификации. Это делает затруднительным, на самом деле, определение, обнаружение чужих генов в каком-то геноме. Но, с другой стороны (очень важно), это позволяет рассчитать время появления этого чужого гена в данном геноме.
Ну вот, например, та же самая кишечная палочка, … коли. Сейчас я не буду методики рассказывать. Просто поверьте мне. Если нужно, потом я разъясню. Определено, что 18 % генома кишечной палочки приобретено сравнительно недавно, за последние 100 млн. лет. Там, конечно, была неравномерность, но, тем не менее, 18 %. И их достаточно легко идентифицировать как чужие гены, которые не поглощены вот этой амелиорацией. Очень важны, конечно, вот эти два необычные положения. Когда мы строим деревья, и вдруг раз — и этот ген выпал, то есть, он совсем оказался далеким на этом дереве от своих близких родственников. Необычное положение. Значит, откуда-то пришел. То же самое, если, скажем, отсутствует ген у других представителей того же таксона. Вот все родственники не имеют этого гена, а этот имеет. И наоборот, соответственно. Таким образом (не буду дальше перечислять прочие критери), сейчас очень просто определить, какая часть генома давно ему соответствует, а какая часть пришла сравнительно недавно.
Из зала —
Может быть, они уходили и приходили?
акад.С.В.Шестаков —
А это я покажу, так и происходило. Таким образом осуществлялся определенный баланс, сохраняющий размеры генома. Это в конце я покажу картинку специальную.
И вот, такие подходы позволяют понять достаточно легко, почему почти все геномы мозаичные. То есть, геномы эукариот полны бактериальными генами. Гены архей встречаются у бактерий. Любые стрелки, как хотите, можете провести. Горизонтальный перенос по существу осуществляется во всех направлениях, с разной, конечно, вероятностью и скоростью, без каких бы то ни было ограничений.
Анализ таких генных переносов позволяет дать некую классификацию типов таких переносов, которые в таком тоже условном виде, без детализации, отражены на этой картинке. Во-первых, приобретение совершенно новых генов. Не было никогда такого гена ни у этого организма, ни у близких родственников. Он появился, совершенно новое качество. Может быть приобретен паралогичный ген, то есть, у себя есть ген похожий, а приходит чужой, похожий очень, но он увеличивает арсенал белков. Новые параогические гены увеличивают диапазон белков и, стало быть, адаптационный потенциал увеличивается. А может быть замещение ортологом, которое по вертикали идет. Они совершенно разные из разных царств. не то что семейство. Приходит ортологичный ген, и он замещает свой собственный ген. но сохраняет функцию. Сегодня правильно Георгий Александрович сказал, что неважно, откуда, неважно, какой, важно, что функция сохраняется. Но функция может быть оптимизирована. И дальше я еще картинку покажу, такие совсем простые вещи, но чтобы было понятно, что же может дать привнесение таких новых генов, такие переносы.
Ну, ясно совершенно, что это могут быть совершенно новые пути метаболизма, утилизация какого-то субстрата там, который делает возможным существование в новой экологической нише. Приобретение признаков устойчивости к токсинам, которые блокируют эту клетку. Или, наоборот, приобретение свойств нападения, чтобы можно было поселиться в какой-то новой экологической нише. Наконец, просто изменение свойств белка, какое угодно — термоустойчивость там, чувствительность к кислороду, просто кинетические характеристики, которые повышают адаптационный потенциал.
Единственное, пожалуй, о чем я еще скажу, о том, что многие гены могут приобретаться как бы случайно. Вот внутри кластера есть какой-то ген, и он вместе с другими генами был перенесен. Если он нейтрален, если он не мешает, что-то не нарушает, то, казалось бы, зачем его сохранять? А все-таки, это страховка. В результате мутационного процесса, мутации ведь почти никогда не привносят нового, он элиминируют что-то, — скажем, нарушают функции какого-то гена. Если ген будет нарушен и функция пропадет, конец жизни этой клетки. Нужна страховка. И этот чужой ген, который такую же функцию может дублировать, он клетку от этого спасает.
Даже такой маленький перечень показывает, какую роль могут играть генные переносы с точки зрения эволюции, потому что изменение качеств идет, на самом деле (не буду сейчас спорить о деталях), не на молекулярном, естественно, уровне, а на уровне целых организмов. Поэтому речь идет о фенотипах. Все, что будет менять фенотип, будет влиять на вероятность процесса отбора. И, таким образом, привлечение новых генов может кардинально, просто резко изменить направление эволюции и скорости эволюции. Это очевидно совершенно.
Я сейчас покажу, наверное, большую табличку и красным подчеркнул, на что я буду сегодня обращать ваше внимание, чтобы не сложилось впечатление, что я говорю совсем уж общие вещи, совершенно понятные. Эта табличка демонстрирует количество генов у нынешних прокариот, у бактерий и у архей, которые приобретены в результате такого горизонтального переноса. Вот здесь вот просто число генов. Это все сиквенированные геномы, поэтому точно известно количество генов на каждый из этих видов. Ну, скажем, у коли сравнительно большой геном. Но я обращаю внимание на последнее. Это количество перенесенных генов. А это то же самое, только в процентах. Как вы видите, диапазон там, на самом деле, от 2 до 20 %, в зависимости от видов. У бацилл 15 (у других авторов даже за 20 зашкаливает). Ну, неважно. Просто это для того, чтобы показать, что обнаружено переносов (о необнаруженных я не говорю, это амелиорация) до 15-20 % в геноме уже сейчас легко можно обнаружить. Более того, можно посмотреть, за что эти гены отвечают, каково распределение их клеток по совокупным функциям, назовем это так. Что чаще всего переносится и что реже всего переносится.
Реже всего переносятся гены информационных систем, то есть, репликации, транскрипции, трансляции, — в общем, то, что является генами жестко домашнего хозяйства. Это понятно, потому что это сложные системы многокомпонентные, и перенос такого гена в общем не приведет к изменениям, потому что он не уживается в этой чужой среде, он не входит в общий комплекс. А вот гены, скажем, которые отвечают за некоторые клеточные структуры, за метаболизм, вот они достаточно легко переносятся. Мы в среднем знаем 40 % функций, только 40 % генов в среднем по разным геномам, а большую часть мы не знаем. Мы знаем, что этот ген есть, мы знаем, как он выглядит, а что он делает в клетке, мы понятия не имеем. Так вот, наибольшее количество перенесенных генов, это как раз те гены, о которых мы очень мало знаем и для которых нет ортологов. О чем это говорит? О том, что на самом деле мы очень мало знаем о метаболизме, о том, каковы особенности, например, бацилл — их 21 %, мы не знаем, что они там делают. Важно другое, что мы понимаем, что здесь есть общие закономерности, которые заключаются в том, что консервативные гены не переносятся, кроме одной категории, это аминацилТ-РНК-синтетаза, но это особая история, а другие категории переносятся, правда, по-разному и в разных организмах, само собой разумеется. Но, тем не менее, такие переносы, еще раз хочу подчеркнуть, они могут изменить направление эволюции, либо существенно повлиять на фенотип в условиях адаптации и взаимодействия сообщества, дать начало новой субпопуляции, а стало быть и образованию нового вида. Это одна из движущих сил, на самом деле, эволюционного процесса.
Здесь. конечно, можно было бы сделать некоторые замечания, касающиеся того, что мутации тоже, конечно, важны, особенно в тех случаях, когда они находятся в генах — регуляторные, например, гены, которые полиотропно влияют на многие другие гены. Поэтому мутация в этом одном гене будет менять сразу очень много в организме. Но этот вопрос наверняка Сергей Георгиевич будет упоминать.
Дальше табличка, где приведены уже не виды, а какие-то единичные случаи. Это я показываю часть таблички, в которой было проведено 37 сиквенированных геномов бактерий и, по-моему, 14 архей. Работа, которая, кстати, сделана выпускниками Московского государственного университета, там Клунин, Макарова, Потосов, Кондрашов. Часть из них — выпускники нашей кафедры, которые давно уже работают в Штатах и публикуют свои статьи и в «Нейчур, и в «Сайнс», и в самых престижных журналах. Это чисто биоинформатика: геном, просчет, и это примеры просто того, какие гены могу, собственно говоря, какие функции могут переноситься. На основании чего можно судить? Просто гомология. Вот гомологияч высокая между геном бактерии и архея, значит, есть что-то общее, кто-то куда-то чего-то передал. Если в бактериях появился этот ген, а все археи имеют этот ген, то, наверное, надо подозревать, что это ген в бактерии пришел от архей. Хотя мы не знаем, от какой археи. И наоборот, из бактерий в археи и эукариоты тоже огромное количество передано различных генов, причем это не означат, что нематода была реципиентом этого гена. Естественно, этот ген когда-то кем-то был воспринят, а потом передавался по вертикали. Важно, что это самые разнообразные по функциям гены, некоторые из которых коренным образом могут изменить образ жизни в новом генетическом окружении.
Один-единственный пример. Почему? Потому что он уже конкретно показывает, что наличие гомологии или отсутствие гомологии позволяет нам понять, что этот перенос может происходить между абсолютно отдаленными организмами, в данном случае между бактериями и археями, археобактериями. Вот посмотрите, я специально написал: бактерия, бактерия, бактерия, а это всё археи. И они по гомологии, по этим деревьям достаточно близки. Короче говоря, намного ближе друг к другу, чем все остальные бактерии, у которых есть, конечно, тот же самый ген, но гомология этого гена очень далекая. Поэтому ясно, и это уже сейчас предмет серьезных обсуждений, что …, это термофил. Это тоже, на самом деле, термофильная бактерия. Поэтому возникает вопрос, — одна экологическая ниша, термофилия, кто кому чего передал? И почему? То есть, либо бактерия получила этот ген и стала термофильной, либо просто эта бактерия жила в той же нише, что и ахея, и они между собой в физическом контакте менялись. Сразу могу оговориться, что я не пытаюсь убедить вас в том, что мы понимаем, как идет горизонтальный перенос, кто реципиент, кто донор, потому что тут все будет перепутано. Донор может быть очень далек от реципиента, иметь массу промежуточных этапов. Мы судим только по гомологии. Есть гомология у архей с эукариотами или нет.
Я сейчас покажу картинку о том, что не нужно понимать это так, что только между близко родственными или между прокариотами может идти этот обмен. Или вполне понятно, что мы обнаруживаем огромное количество бактериальных клеток, бактериальных генов в геноме эукариот. Они пришли туда через что? Через митохондрии, через хлоропласты. Ну, там симбиотическая или какая угодно теория. И потом редукция генома, митохондри, скажем, только для того, чтобы функции энергетики осуществлять. А все остальные гены, они все передвинулись. Горизонтальный перенос внутри клетки от митохондрии в ядро. И мы все бактериальные гены обнаруживаем в ядре. Отсюда такой колоссальный …
И тут опять только небольшая часть данных о переносе генов эукариот. Мы как-то привыкли думать, что снизу вверх, что называется, двигались гены. Да ничего подобного. Тьма абсолютно сейчас случаев, более 50, где точно понятно, что, — я только два примера приведу. Ну, например, у прокариот, у холерного вибриона обнаруживается ген, вот этого самого натрий-фосфата коранспортер, который в клетке животных осуществляет совершенно определенную функцию. А здесь этот ген, тоже очень близкий по гомологии, он другую функцию делает. Он на самом деле участвует в нападении вибриона — вернее, не в нападении, а во взаимоотношениях вибриона с клетками хозяина. Здесь …, это бактерии патогенные, это трахомы и возбудитель тифа, типичные аппликатные паразиты, не свободно живущие бактерии, только в организме хозяина. И они имеют вот эту АТФ-трансфоказу, переносчик, которого нет ни в каких других бактериях, свободноживущих. Почему? Потому что эти бактерии — энергетические паразиты, они выкачивают АТФ, вообще энергию из организма клетки хозяина и имеют целый ряд других генов для того, чтобы нападать на клетку хозяина, чтобы обманывать хозяина, всякие рецепторные белки и так далее. И вот эта табличка как раз показывает любопытную вещь. Вот это трахома. А источник генов откуда? Когда посмотрели в геноме у хломидии, а это паразит животных, а не человека, 15 генов из растений. Откуда растения могли? Идея такая, что в ходе эволюции был какой-то паразит, который сперва жил на растениях, а потом только перебрался на животных. Так что, это один из путей обсуждения путей горизонтального переноса.
До сих пор я все время говорил о генах, что гены переносятся. Буквально два слова скажу о том, что гены переносятся, но совершенно не обязательно, что они приживляются. Дело в том, что часть только генов может прижиться в другом организме. Вы знаете, что любой белок состоит из большого числа доменов. Какой-то участок отвечает за взаимодействие с АТФ, другой с ДНК, с какими-то лигандами, с мембранами, их десятки. И весь белок, также как и ген, он, конечно, состоит из определенных доменов. Так вот, когда чужой ген попадает в какой-то организм, вовсе не обязательно, чтобы он там сохранился и чтобы он там самостоятельно работал. Ничего подобного. Идет перекомбинация доменов, идет слияние доменов, идет интеграция доменов из чужого гена в свой собственный ген. И таким образом появляются, на самом-то деле, гибридные белки. Это один из путей возникновения новых генов. на самом деле. Просто даже не буду расшифровывать пример. У одного организма один какой-то домен, а у другого этот же домен в паре с другим слит, дал совершенно новый белок, у которого функция, скажем, регуляторная какая-нибудь. Таким образом это не просто перенос генов. Это создание условий для возникновения новых генов в результате перекомбинаций различного рода.
Перейду тогда прямо к заключительной части, в которой я хотел бы подчеркнуть три основных таких положения, я бы даже сказал, обобщения. Итак, первое. Геномика не дает информации о первичных донорах и, собственно говоря, с реципиентами еще можно разобраться. И на разных этапах эволюции возможны перекресты, которые могут быть совершенно неожиданными, совершенно непредсказуемыми. Я, к сожалению, не могу найти картинку, поэтому я покажу картинку, достаточно известную хорошо. Вот Георгий Александрович в своей статье это использовал. Это Дулитл, человек, который придумал название «латеральный перенос». Что это означает? Как видите, нет единого корня, от которого потом все ветвится, а это то, что называется «коммунальное хозяйство». То есть, это некий конгломерат, как говорится, еще не устоявшихся клеток, которые очень легко обмениваются различными генами. На ранних этапах эволюции это был основной механизм увеличения генетической информации, создания базы для дифференцировки клеток. А потом появились определенные линии. Но они не оказались изолированными, как мы видим на дереве классически известном. Ничего подобного. Это мицеллии, где масса перекрестков, от каких-то грамм-отрицательных растений тут линия к хлоропластам и высшим растениям. И между собой какие угодно ниточки. На самом деле, вес перемешано.
Именно поэтому на самом деле в микробиологии (сейчас со мной наверняка будет спорить и посмотрит на меня скептически Георгий Александрович) понятия вида нет, в принципе. С моей точки зрения. Есть базовый минимальный набор генов, который определяет таксономическую принадлежность по удобным для нас критериям. А, собственно говоря, весь остальной генный пул тех же прокариот или бактерий (мы сейчас о бактериях говорим), он, на самом деле, один. И различного рода переносы будут зависеть только от физического контакта, от возможности в одной экологической нише соприкасаться между собой и определять. Это первое некое заключение.
Второе обобщение заключается в том, что большинство организмов участвовало в горизонтальных переносах как проточная система. Это то, о чем спросил Алексей Юрьевич. Если бы кишечная палочка только приобретала гены, то через те же самые 100 миллионов лет у нее как минимум удвоился бы геном. А он такой же, как 100 миллионов лет назад. Почему? Потому что там на основе молекулярных часов мы можем посмотреть, когда разошлись сальмонелла и … коли как близкородственные организмы. Так вот, такая, тоже очень сокращенная картинка показывает, что как идет приток генов, так же идет и отток. Причем, один ген пришел, он может и уйти, он может остаться. Если он подвергся амелиорации, то есть, сглаживанию, унификации с основным геномом, вот эти линии становятся очень слабенькиими, этот ген почти не обнаружен. Пришел недавно, легко обнаружен. Поэтому легко можно посчитать, какие пришли недавно, какие пришли давно, а какие пришли, но мы о них ничего сказать не можем. Таким образом, мы можем сравнить, на самом деле (предположительно, не экспериментально) геном предковый какой-то там бактерии и той, которую мы считаем современной. Почему? Потому что это районы с аномальным ГЦ-составом, то есть, их можно очень легко выявить и легко идентифицировать. Это второе обобщение, о том, что баланс этих потоков, притока и оттока, они определяли, на самом деле, не только адаптивную изменчивость организма, но и сохранение какого-то оптимизированного размера генома.
И третье обобщение я должен сделать, потому что я его считаю самым главным в своем сообщении. И я буду стараться сделать, если смогу, что-то для того, чтобы использовать подход, о котором я сейчас сообщу, для попыток скоррелировать некие, ну, если не с геологическими периодами, с экологическими кризисами, то все-таки с какими-то периодами на основании нетривиального подхода, где есть теперь уже возможность на основании геномики говорить об эволюции генетических систем. Ведь не только геном эволюционирует. Эволюционируют, само собой разумеется, и отдельные системы, системы генетических переносов, системы контроля мутационного процесса. Эволюционируют не обязательно вертикально вверх. Те же самые механизмы рекомбинации. И когда я говорю о горизонтальных переносах, то ведь это не просто физический контакт, это не просто перетекла какая-то часть хромосом из одной клетки в другую. Она же должна там прижиться, или что-то с ней должно случиться. Это все делают рекомбинационные механизмы. В систему встраивают разные комбинации, гомологичные или специфические. Об эволюции этих систем на сегодняшний день известно не очень много. Если сейчас посмотреть с помощью геномики, как эти гены эволюционировали, то, может быть, какой-то появится новый ключ для определения вот этих триггерных механизмов. То есть, не только ген перенесен. Если ген перенесен, а рекомбинационного механизма нет, ничего не случится, ген пропадет. А если, наоборот, в какие-то периоды геологические или экологических кризисов вдруг резко повысилась мутабильность, то есть, частота мутаций увеличилась, число генных переносов увеличилось, и частота, просто условия рекомбинации стали оптимальными, то тогда, простите, и изменчивость будет намного больше, и в определенных условиях отбора эти организмы будут иметь существенные преимущества.
Ясно совершенно, что эти волны горизонтального переноса могут инициироваться на разных уровнях биоразнообразия, высоких плотностей контактирующих популяций. Если не будет контактов, не будет и горизонтального переноса, это очевидно. Это очень важно с точки зрения сообществ, потому что только в них могут осуществляться такие переносы.
Ну и последнее, может быть, что хочется сказать, это что, конечно, эволюция отрабатывает ведь не только рекомбинацию. Она ведь выработала жесткие барьеры, чтоб не было горизонтальных переносов. Их тьма: нескрещиваемость, элементы рестрикции модификаций, амелиорация. Да мало ли, масса других механизмов, которые я даже перечислять не буду. Скажем, репарация ДНК, например, контролирующая мутационный процесс. Но совершенно очевидно, что в таком комплексе надо бы попытаться сделать схему, где совместить эволюцию различных генетических систем, будь то рекомбинация, репарация, различные контакты, с периодами экологических кризисов, геологических, геохимических, климатических, как я перечислял, антропогенных факторов. Конечно, они воздействуют на это всё, и в рамках представлений о прерывистой, волновой, сортационной теории биологической эволюции и происхождения видов у нас есть новый экспериментальный подход. Потому что очень многие вещи сейчас можно не обсуждать теоретически, а выйти на геномном уровне на конкретные экспериментальные исследования.
Спасибо.
акад.Н.Л.Добрецов —
Спасибо. У кого есть вопросы? Пожалуйста.
акад.А.Э.Конторович —
Я вот что хотел спросить. Ну, хорошо, все это понятно и очень убедительно. А как все-таки, какие механизмы привели к тому, что из прокариот и архей появился в конечном счете гомо сапиенс?
акад.С.В.Шестаков —
К гомо сапиенс я отношусь с большой осторожностью.
акад.А.Э.Конторович —
Ну, медведь.
акад.С.В.Шестаков —
Ну, медведь, это то же самое, что человек. А вот что касается происхождения эукариот, я думаю, что тут я не могу согласиться с одной из позиций, высказанных, упомянутых Николаем Леонтьевичем, о том, что как бы вместе, может быть, одновременно появились бактерии… Я на вас не валю ответственность, я просто говорю, что эта точка зрения сегодня, конечно, уже не правомочна. Сейчас уже предельно ясно, что, конечно, был мир прокариот, из которых возникли эукариоты. Как, это другой разговор. Есть три теории. Кстати, год тому назад я их очень кратко излагал, поэтому если завтра будет дискуссия, я, может быть, вернусь, но сейчас я только скажу, что я придерживаюсь новой гипотезы, которая сформулирована Биллом Мартином (американец, который живет и работает в Германии), который считает, что эукариоты произошли вместе с митохондриями, в результате слияния архейной клетки и клетки бактерии. И он базируется не на привычных геномных, генетических моментах, а на чисто энергетическим подходе, на синтрофии бактерий, которые выделяли водород и которые поглощали водород. Потом произошло слияние этих клеток, что было связано с формированием определенных структур, поверхностных в том числе, абсолютным передвижением генов от одного генома в другой геном. И у меня есть картинка, если завтра будет желание, мы сможем к ней вернуться. Поэтому для меня, например, эта проблема, конечно, как и для всех других, не имеет однозначного ответа, но есть концепция, которая выглядит убедительней других.
…
…а в большинстве случаев это сайт-специфическая рекомбинация. То есть, известно, куда должна встроиться.
Вопрос —
А …
акад.С.В.Шестаков —
Не могу сейчас ответить на этот вопрос. Подумаю, отвечу.
акад.Н.Л.Добрецов —
Можно мне такой вопрос все-таки, непрофессионала? У меня все время складывалось впечатление, и ваш доклад как бы в этом убеждает, что все-таки и мир бактериальный, и видообразование, эволюция совершенно другая, чем в многоклеточных организмах, у которых специфические клетки появляются и так далее. И вот эта мобильность горизонтального переноса, она, соответственно, больше характерна для бактерий? Или она и для высших растений и прочего?
акад.С.В.Шестаков —
Конечно, горизонтальный перенос очень активный в мире прокариот. Тут сомнений никаких нет. Но в тех случаях, когда мы видим на деревьях — в случае млекопитающих, кстати, тоже довольно много случаев выпадающих из классической систематики, когда гомология очень отдаленная, есть подозрения на то, что этот ген пришел извне. Я подчеркиваю, я о прямых переносах не готов говорить. Может быть, такое и происходит где-то.
акад.Н.Л.Добрецов —
То есть, вы еще раз подтверждаете, что пути эволюции микроорганизмов другие, чем дариновский отбор многоклеточных?
акад.С.В.Шестаков —
Тут есть еще один фактор, о котором нет смысла долго говорить, половой процесс.
акад.Н.Л.Добрецов —
Все знают, что в бактериях внезапно проявляется токсичность или не проявляется. В желудочном соке что-то изменилось, и она вдруг начала выделять токсины. Это следствие запасных генов? Или это в самом геноме успевает что-то произойти?
акад.С.В.Шестаков —
И в самом геноме, горизонтальный перенос. Вот конкретный пример, который касается многих из вас, …, возбудитель гастритов. Считается, что 50 % населения Земли страдают этим, причем заражаются прямо с молоком матери, как говорится. И потом несут. Но только при определенных стрессовых состояниях это проявляется. Так вот, два штамма, один живет в верхней части желудка, а другой в районе 12-перстной кишки. Один и тот же вид с точки зрения таксономии. Но у одного на 25 % меньше геном и отсутствуют те гены, которые отвечают за взаимодействие с теми клетками эпителия, которые находятся у 12-перстной кишки, а вид-то один. К чему я говорю? Что не просто мозаичность, а изменчивость бактерий настолько велика, она происходит каждый день. И каждый из вас столкнется еще с новыми патогенами, поверьте. Они возникают абсолютно постоянно, прежде всего, за счет горизонтальных переносов, как внутри вида, так и между группами.
акад.Н.Л.Добрецов —
Спасибо, Сергеей Васильевич. Вопросы в кулуарах. Есть предложение послушать академика Сергея Георгиевича Инге-Вечтомова, «Блочный принцип …»
акад.С.В.Шестаков —
Пока готовится Сергей Георгиевич, упомяну. На самом деле, что такое генетический перенос? Это трансгенный организм.