Можно рассчитать вероятность появления синонимичных и несинонимичных мутаций. Всего существует 64 варианта триплетов. В каждом положении каждого триплета возможны три варианта замены, то есть всего девять мутаций в каждом триплете. Умножая 64 на девять, получаем 576 возможных случайных мутаций оснований в триплетах. Анализ генетического кода показывает, что 135 из 576 мутаций (примерно 23 %) являются синонимичными, а остальные 77 % — несинонимичными. Основной вывод, который следует из этого расчета, заключается в том, что без вмешательства естественного отбора соотношение несинонимичных и синонимичных мутаций в ДНК составляет примерно 3:1 (77:23).
Однако в природе это соотношение обычно составляет 1:3 в пользу синонимичных мутаций. Это соотношение в десять раз меньше того, которого следовало бы ожидать при случайном накоплении мутаций. Лишь небольшая доля возникающих несинонимичных мутаций остается в популяции. Какой же фактор так сильно ограничивает распространение несинонимичных мутаций?
Ответ только один: естественный отбор. Такое изменение соотношения является прекрасным доказательством действия так называемого очищающего отбора, который поддерживает «чистоту» аминокислотных последовательностей, избавляя белки от мутаций, которые могли бы повлиять на их функцию.
Влияние очищающего естественного отбора можно обнаружить в последовательностях большинства генов, но наиболее ярко оно выражено в бессмертных генах, сохранившихся во всех царствах живых организмов. Например, многие белки, участвующие в трансляции мРНК, являются общими у всех видов. Если взглянуть на фрагмент хотя бы одного из этих белков у представителей архей, бактерий, растений, грибов и животных, можно увидеть значительное сходство, не утраченное за 2 млрд лет (рис. 3.3; для простоты все аминокислоты обозначены буквами). Обратите внимание, что в ходе эволюции у разных видов сохранилось 14 одинаковых аминокислотных остатков. Эти 14 букв являются бессмертными.
Рис. 3.3. Бессмертные гены. Короткий фрагмент последовательности белка (так называемого фактора элонгации 1-а), обнаруженного во всех царствах жизни. Некоторые аминокислоты (выделены серым цветом,) не изменились на протяжении миллиардов лет. Рисунок Джейми Кэрролл.
Однако, если мы сравним последовательности ДНК, кодирующие этот фрагмент в данных организмах, мы обнаружим, что они различаются в значительно большей степени. Например, анализ соответствующих генов людей и томатов показывает, что они совпадают лишь по 65 из 78 позиций (83 %), тогда как белки идентичны по 25 из 26 позиций (96 %). Причина большего сходства белковых последовательностей по сравнению с последовательностями ДНК заключается в наличии в ДНК 12 синонимичных замен, то есть замен, которым разрешено накапливаться.
Эволюция генов в условиях очищающего отбора — своеобразный «бег на месте». Это означает, что основания могут изменяться, но смысла это не меняет. Рассмотрим, например, триплет TTA, кодирующий аминокислоту лейцин. Этот триплет может измениться двумя разными способами, но при этом по-прежнему будет кодировать лейцин, а мутированные триплеты могут измениться еще раз, но все еще будут кодировать лейцин.
Большинство аминокислот кодируются по меньшей мере двумя разными триплетами, а некоторые аминокислоты — тремя и большим числом триплетов (в случае лейцина их шесть). Таким образом, триплеты в последовательностях ДНК могут «бегать» (изменяться), однако естественный отбор постоянно следит за ними и не позволяет им «убежать» настолько далеко, чтобы это привело к изменению последовательности или функции белка.
Предотвращение слишком сильных изменений происходит за счет того, что естественный отбор благоприятствует сохранению одной конкретной последовательности по сравнению с вариантами, в которых изменена одна или несколько аминокислот. Если какой-то вариант белка функционирует хуже остальных, пусть даже на 0,001 %, со временем естественный отбор (по тем математическим законам, о которых мы говорили в предыдущей главе) вычищает этот вариант из большой популяции. Эти чистки настолько эффективны, что отдельные «буквы» в «тексте» белка могут сохраняться в неизменном виде практически у всех видов организмов. Представьте себе: бессмертные буквы в белковых последовательностях бесконечно, снова и снова подвергаются мутациям в множестве особей, у миллионов видов, на протяжении миллиардов лет — но все эти мутации вновь и вновь отметаются естественным отбором.
Выравнивание белковых последовательностей (рис. 3.3) показывает, что существуют ограничения в выборе аминокислотных остатков для данного белка и что белковые последовательности разных видов различаются лишь по нескольким позициям. Синонимичные мутации допускаются гораздо чаще, чем несинонимичные. Я показал это на фрагменте лишь одного гена, но я мог бы привести в пример тысячи генов, включая 500 бессмертных генов и многие-многие другие гены из любой группы организмов. Строгое сохранение большинства позиций в белковых последовательностях при синонимичной эволюции соответствующих последовательностей ДНК и изменение лишь ограниченного числа аминокислотных позиций — это важнейшая закономерность эволюционного процесса на уровне ДНК.
Последовательности ДНК, которые кодируют один и тот же белок, но при этом существенно отличаются друг от друга — бесспорное свидетельство работы отбора, допускающего мутации, которые не влияют на функции белка, и отсеивающего мутации, которые их изменяют. Таким образом, сохранение общих генов у различных видов организмов на протяжении длительного времени является решающим доказательством одного из аспектов естественного отбора — его способности, говоря словами Дарвина, уничтожать вредные изменения.
Однако эволюционирующие геномы не просто несут на себе следы естественного отбора. В летописи ДНК отражена не только история конкретного гена, но и информация о его носителях, современных и тех, что давно вымерли. Благодаря способности отбора хранить информацию, которая в противном случае должна была бы со временем исчезнуть, геномы рассказывают историю жизни на Земле. Новые данные, полученные из геномов, позволяют заглянуть в глубокое прошлое — такой возможности не давали никакие другие источники. Я завершу эту главу рассказом об эволюции того домена, к которому принадлежим мы с вами (домен эукариот), а также о том вкладе, который внесли в развитие наших предков-эукариот архей и бактерии.
Появление эукариот: союз двух непохожих родителей?
Я верю, что придет время, хотя я и не доживу до тех пор, когда у нас будет истинное генеалогическое древо для каждого царства живых организмов.
Чарльз Дарвин Из письма Т. Хаксли, 26 сентября 1857 г.
Со времен Дарвина наше понимание устройства природы значительно продвинулось вперед. Раньше всю живую природу подразделяли лишь на царство растений и царство животных. Эта двоичная система существовала со времен Аристотеля и была формально описана Карлом Линнеем в 1735 г. В 1866 году Эрнст Геккель, осуществивший замечательное исследование простейших организмов, добавил к этой классификации третье царство — царство протистов. Бактерии и грибы были включены в классификацию в качестве полноправных царств только в начале XX в.
Кроме распределения по пяти царствам признавалось и разделение более высокого порядка, основанное на фундаментальном различии клеток, обнаруженных у представителей разных царств. В 1938 году французский биолог Эдуард Шатон предложил называть представителей этих «надцарств» прокариотами и эукариотами в зависимости от присутствия или отсутствия ядра в их клетках. В эти надцарства попадали все известные формы живых организмов, но лишь до тех пор, пока Карл Воуз не начал изучать гены организмов, обнаруженных Томом Броком в Йеллоустоне.
Воуз считал, что таксономия бактерий слишком запутанна и что для определения эволюционных связей между видами требуются более объективные показатели, чем их морфология или физиология. Он обратился к изучению молекул. Как только анализ белковых последовательностей стал выявлять сходство и различия между белками, общими у разных видов, многие ученые (такие как Фрэнсис Крик, Эмиль Цукеркандль и Лайнус Полинг) признали, что можно строить генеалогическое древо живых организмов на основании последовательностей ДНК, РНК и белков. В основе этого подхода лежала очень простая идея. Участки в последовательности ДНК, РНК или белков, различающиеся у одних групп видов, но одинаковые у других, указывают на степень родства этих видов. Так же как семейное древо строится на основе степеней родства, генеалогическое древо живых организмов строится на основе генетического сходства. Однако, как я объясню далее, иногда случаются такие союзы, которые в немалой степени запутывают семейную генеалогию.
