Рис. 3-13 а. Глубокий уровень: 338 прокариот из базы данных EggNOG (Jensen et al., 2008)
Рис. 3-13 б. Средний уровень: 41 архей из базы данных arCOG (Makarova et al., 2007b)
Рис. 3-13 в. Мелкий уровень: 44 вида Escherichia, Shigella и Salmonella из базы данных COG (Tatusov et al., 2003). Регрессия данных экспоненциальными функциями на всех трех рисунках (Koonin and Wolf, 2008b) изображена пунктирными и непрерывными линиями.
Рис. 3-14. Вклад ядра, оболочки и «облака» в состав индивидуальных геномов и генной вселенной как целого. Расчет произведен по данным из базы EggNOG (Jensen et al., 2008). A. fulgidus – архея Archaeoglobus fulgidus; B. subtilis – бактерия Bacillus subtilis.
Следует обратить внимание на кажущийся парадокс в распределении КОГ в генном пространстве. Хотя в каждом геноме большинство генов относятся к оболочке, то есть являются общими с дальнородственными организмами, при рассмотрении всей генной вселенной оказывается, что гены (или, вернее, КОГ) ядра и оболочки составляют лишь незначительное меньшинство (см. рис. 3-14). Вполне очевидно, что эта разница возникает потому, что КОГ оболочки представлены во многих геномах, в то время как КОГ «облака», особенно «гены-сироты», являются редкими или уникальными. С учетом этой характерной структуры вселенной генов эволюционные реконструкции неизбежно приводят к картине динамичной эволюции генома, где многочисленные гены (в основном из «облака» и, в меньшей степени, из оболочки) утрачиваются, а многие другие приобретаются путем ГПГ (в основном у прокариот), а также в результате многочисленных дупликаций, в первую очередь у эукариот (см. ниже в этой главе).
Элементарные события геномной эволюции
Теперь, определив единицы геномной эволюции и разработав идею организации вселенной генов, мы можем осмысленно дополнить эти понятия списком основных операций, элементарных событий эволюции генома, которые можно будет сравнить с элементарными событиями эволюции отдельных генов. Алфавиты элементарных событий довольно кратки и фактически подобны (изоморфны) на соответствующих уровнях (см. табл. 3–3). Однако относительный вклад и частота различных типов событий разнятся в эволюции генов и геномов самым коренным образом. Существенное различие между эволюцией отдельных генов и целых геномов заключается в особой важности и высокой частоте дупликации генов, в отличие от много более ограниченного вклада внутригенных дупликаций. Далее, внутригенные рекомбинации редко закрепляются в эволюции, за исключением близких геномов, a важнейшие механизмы перестройки генома, такие как инверсии и транслокации, не играют особой роли в эволюции отдельных генов. В итоге различия в относительном вкладе разнообразных элементарных механизмов (см. табл. 3–2) лежат в основе значительно более динамичного характера эволюции геномов по сравнению с эволюцией отдельных генов.
Таблица 3–3. Сравнение элементарных событий эволюции гена и генома.
Краткий обзор главы
Сравнительная геномика раскрывает примечательный контраст между относительной эволюционной устойчивостью отдельных генов, многие из которых сохраняют значительное сходство на протяжении сотен миллионов или даже миллиардов лет эволюции, и пластичностью состава и архитектуры генома, которые изменяются на несколько порядков быстрее. Отсюда возникает характерное устройство вселенной генов, в котором сравнительно небольшое число плотных кластеров образуют ядро, гены которого представлены в большинстве геномов, в то время как большую часть пространства-времени занимает огромное количество все более разреженных «туманностей», состоящих из редких генов. Поразительно, что организация генетической вселенной явственно фрактальна, то есть проявляется на всех масштабах эволюционных расстояний.
Атомарная сущность генов (или, точнее, КОГ, ортологичных эволюционных линий) лежит в основе всей исследовательской программы сравнительной геномики: сравнение геномов оказывается весьма информативным, несмотря на нетривиальные отношения между отдельными генами и геномами, обусловленные изменчивостью геномной архитектуры.
Геномные ландшафты различных форм жизни – распределение ограничений по геномным сайтам – разнообразны и сложны. Компактные геномы вирусов, прокариот и, в меньшей степени, одноклеточных эукариот в основном занимают «высокогорные плато», так что почти все сайты подвергаются существенным ограничениям. Геномные ландшафты многоклеточных эукариот состоят в основном из «долин» со слабыми ограничениями, разделенных редкими «гребнями» сильного отбора. Эти отличия отражают разные эволюционные режимы, которые мы обсудим в главе 8. Парадоксально, но именно «неэффективность» режима эволюции, характерного для многоклеточных эукариот, позволяет организационной сложности возникнуть. Этот парадокс должен заставить задуматься всех неравнодушных к идее эволюционного «прогресса». Мы вернемся к подробному обсуждению этого вопроса в главах 8 и 13.
Рекомендуемая дополнительная литература
Ellegren, H. (2008) Comparative Genomics and the Study of Evolution by Natural Selection. Molecular Ecology 17: 4,586—4,596.
Обзор факторов отбора, важных для эволюции разных классов геномных последовательностей.
Koonin, E. V. (2005) Orthologs, Paralogs, and Evolutionary Genomics. Annual Review of Genetics 39: 309–338.
Детальное обсуждение концепций ортологии и паралогии, а также определенных категорий эволюционных отношений между генами в этих широких классах.
Koonin, E. V. (2009) Evolution of Genome Architecture. International Journal of Biochemistry and Cell Biology 41: 298–306.
Обзор разнообразия и эволюционных тенденций геномных архитектур различных форм клеточной жизни.
Koonin, E. V. (2003) Comparative Genomics, Minimal Gene-Sets, and the Last Universal Common Ancestor. Nature Reviews Microbiology 1: 127–136.
Критическое обсуждение концепции минимального набора генов и ее применения к организмам, имеющим различный стиль жизни, а также сравнение минимальных наборов и реконструкция предковых геномов.
Koonin, E. V., and Y. I. Wolf. (2010) Constraints and Plasticity in Genome and Molecular-Phenome Evolution. Nature Reviews Genetics 11: 487–498.
Попытка исчерпывающей полногеномной переписи эволюционных ограничений, действующих на различные классы последовательностей и сайтов в геномах.
Koonin, E. V., and Y. I. Wolf. (2008) Genomics of Bacteria and Archaea: The Emerging Dynamic View of the Prokaryotic World. Nucleic Acids Research 36: 6,688—6,719.
Детальный обзор геномики прокариот с особым упором на динамику генома, в том числе ГПГ.
Levitt, M. Nature of the Protein Universe. (2009) Proceedings of the National Academy of Sciences USA 106: 11,079—11,084.
Подробное исследование происхождения новизны в эволюции белка. Делается вывод о том, что ключевым механизмом порождения новизны явилось возникновение мультидоменной архитектуры.
Lynch, Michael. (2007) The Origins of Genome Architecture. Sunderland, MA: Sinauer Associates.
Принципиально важная книга по неадаптивной теории эволюции геномной сложности и ее различным последствиям (подробное обсуждение в гл. 8).
Wilkins, A. S. (1997) Canalization: A Molecular Genetic Perspective. Bioessays 19: 257–262.
Переоценка Уоддингтоновой концепции канализации в контексте современной эволюционной биологии.
Глава 4. Геномика, системная биология и универсалии эволюции: эволюция генома как феномен статистической физики
В предыдущей главе была подчеркнута относительная стабильность отдельных генов, составляющая яркий контраст динамизму геномной эволюции. Если гены или домены принять за атомарные единицы геномной эволюции, тогда геномы можно рассмотреть как статистические ансамбли таких единиц. Мы можем продолжить эту очень упрощенную, но очевидно не бессмысленную и потенциально продуктивную физическую аналогию и рассмотреть геномы как структуры, подобные газу или жидкости, в которых силы межмолекулярного взаимодействия хоть и являются важными параметрами, но слабы по сравнению с внутримолекулярными взаимодействиями (лежащими в основе стабильности молекул), в отличие от твердых тел, в которых межмолекулярные взаимодействия сильны и имеют определяющее значение.
Из статистической физики известно, что поведение ансамбля слабовзаимодействующих частиц (молекул) следует простым и универсальным статистическим закономерностям, таким как распределение Больцмана для скоростей частиц. Аналогия между ансамблями генов (геномами) и ансамблями молекул (газами и жидкостями) наталкивает нас на поиск статистических закономерностей в функционировании и эволюции генома. Более того, размышляя таким образом, мы можем с некоторой степенью уверенности предположить, что эти статистические закономерности должны представлять собой математически простые, универсальные законы распределения значений определенных параметров, описывающих процесс эволюции. Мы убедимся в этой главе, что поиск таких эволюционных универсалий – дело далеко не безнадежное.
