Рис. 5–8. Неизоморфное, многозначное отображение геномного и функционального пространств.
Единственный вывод, который можно сделать в рамках текущего состояния дел по поводу связей между геномом и фенотипом у прокариот, заключается в том, что эти связи являются многогранными, и конкретные наборы генов, ответственных за формирование сложных фенотипов, идентифицировать непросто, несмотря на существование явных генов-сигнатур, связанных с определенными стилями жизни (такими как обратная гираза в случае гипертермофильности). Сложность соотношения геном – фенотип может быть представлена в виде неизоморфного многозначного отображения между геномным и функциональным пространствами прокариот (Koonin and Wolf, 2008b). Каждый ген плейотропен (связан с множеством функций), и каждая функция мультигенна (связана со многими генами; см. рис. 5–8). Мы пришли к этому важному выводу при анализе геномов прокариот, но, без сомнения, он отражает общее правило отсутствия детерминизма при отображении генотип – фенотип (см. гл. 13).
Археи и бактерии в свете сравнительной геномики: как же быть с прокариотами?
Сам термин и концепция прокариот в последнее время ставятся под сомнение как устаревшие и основанные на негативном определении: отсутствии органелл, давших свое имя «высшим» организмам (эукариотам), – ядер (Pace, 2009b, 2006). Вместо представляющегося неадекватным понятия прокариот было решительно предложено классифицировать формы жизни исключительно на базе филогенетического разделения, которое исходно возникло из деревьев рРНК и было подтверждено деревьями нескольких других (почти) универсальных информационных генов (Pace, 2009a). Что касается негативного определения прокариот, то ему было противопоставлено определение, основанное на позитивных признаках, таких как сопряжение транскрипции и трансляции (Martin and Koonin, 2006b)[55]. Каковы бы ни были относительные достоинства этих аргументов, сравнительная геномика пролила свой собственный свет на проблему прокариот. Как обсуждалось в этой главе, между археями и бактериями наблюдается очень небольшая степень сохранения репертуара генов (КОГ) и даже еще меньшая степень сохранения в организации специфических оперонов. Действительно, на эволюционных деревьях, построенных на основе сравнения репертуара генов и консервативных пар соседних генов, разделение между бактериями и археями весьма четкое (Wolf et al., 2002).
С этим разделением резко контрастирует единство общей организации геномов бактерий и архей. Несмотря на некоторые исключения, главный принцип организации генома может быть легко выражен следующим сжатым описанием: бактерии и археи имеют компактные геномы с короткими межгенными промежутками, устроенные таким образом, что множество генов формируют директоны, которые имеют тенденцию функционировать как опероны. Формирование директонов, многие из которых становятся оперонами, можно рассматривать как непосредственное следствие компрессии генома (дальнейшее обсуждение этой проблемы в гл. 8). Эволюционная устойчивость оперонов затем обеспечивается совместным действием очищающего отбора и частого ГПГ, в соответствии с концепцией эгоистичного оперона. Одинаковый принцип организации геномов бактерий и архей появился как непосредственное следствие давления отбора, которое действует в процессе эволюции этих форм жизни. Эти факторы отбора, в свою очередь, сами калибруются популяционной динамикой (см. гл. 8). Рассматривая все это вместе, я не могу не прийти к концепции прокариот как формы жизни, характеризующейся особым режимом эволюции, включающим всесторонний и неотъемлемый ГПГ, который создает хорошо перемешанный резервуар генов и приводит к общему типу организации их генома. Является ли термин «прокариоты» удачным для описания этой части биосферы, остается спорным вопросом (мы внесем некую ясность в эту проблему при обсуждении происхождения эукариот в гл. 7), но, вероятно, все же второстепенным.
Краткий обзор и перспектива
Безусловно, прогресс в наших знаниях о мире прокариот, достигнутый благодаря успехам сравнительной геномики, огромен. Многие из основных закономерностей и моделей, обсуждавшихся здесь, такие как явные отличия архей и бактерий, наряду с фундаментальным сходством в режимах их эволюции и вытекающей из этого организацией генома, оперонная организация генов бактерий и архей и существование ГПГ, были замечены еще в предгеномную эру, но скорее как отдельные случаи, чем как общие тенденции. Сравнительная геномика позволяет исследователю определить, насколько общим является любая наблюдаемая тенденция, и достоверность подобных выводов увеличивается по мере роста размера коллекции секвенированных геномов. В начале геномной эры существовала надежда на открытие нового набора законов геномики. И действительно, при сравнении геномов прокариот были открыты некоторые почти универсальные количественные закономерности. Наилучшими кандидатами на статус законов геномики можно считать специфическую зависимость доли генов разных функциональных классов от размера генома, степенной закон распределения размеров семейств генов и универсальное распределение скоростей эволюции ортологичных генов (см. гл. 4).
Однако в общем и целом по итогам 15 лет работы в области сравнительной геномики, вероятно, правильнее говорить о закономерностях, ограничениях и, возможно, принципах, но не о законах, высеченных на камне. Действительно, в терминах общей организации, основная масса геномов архей и бактерий примечательно похожа и построена в соответствии с одним и тем же простым «генеральным планом» с плотным расположением кодирующих белки и РНК генов, организованных по большей части в виде директонов, как правило, с одной точкой начала репликации. Большинство генов архей и бактерий имеют простую организацию с непрерывной кодирующей последовательностью и короткими регуляторными участками. По-видимому, существует нетривиальная связь между функциями генов и сложностью генома: распределение числа генов, принадлежащих различным функциональным классам, оказывается (почти) одинаковым для широкого спектра доступных геномов, с почти постоянным «замороженным» набором генов, участвующих в процессе трансляции, и резким ростом числа генов-регуляторов и сигнальных белков при увеличении размера генома. Увеличение «бюрократического груза» вместе с энергетическими ограничениями, вероятно, являются важными факторами, устанавливающими верхний предел на размер генома прокариот и, соответственно, сложность их строения. Эти закономерности приближаются к законам геномики настолько близко, насколько это только можно представить, хотя, как всегда это бывает в биологии, существует множество исключений из любого правила.
Важнее, что в пределах этих простых ограничений мы наблюдаем огромное разнообразие и сложность содержания, функционирования и истории прокариотических геномов. Показательные примеры этого встречаются в изобилии. Демонстрация того, что значительное большинство генов в каждом геноме являются не ОРС, а имеют ортологи, является краеугольным камнем сравнительной геномики и эволюционных реконструкций сценариев. Однако обратная сторона медали, а именно фрагментарное распределение кластеров ортологичных генов в геномном пространстве, является не менее фундаментальной закономерностью. Это распределение – результат действия основных факторов, формирующих эволюцию прокариот: ГПГ, потери генов, что часто вызвано упрощением генома, и замены генов неортологами, что отображает неизоморфное соответствие между геномным и функциональным пространствами. Практически неограниченная пластичность архитектуры геномов прокариот, обусловленная частыми геномными перестройками, которые порождают разнообразные вариации на темы консервативных оперонов, а также открытие ранее неизвестных систем передачи сигналов, регуляции и защиты (лишь несколько примеров которых кратко были рассмотрены в этой главе) еще более увеличивают сложность геномного пространства прокариот, открытого сравнительной геномикой.
Представляется, что главная концептуальная новизна, привнесенная в биологию сравнительной геномикой, – это демонстрация повсеместного распространения ГПГ в мире прокариот, даже с учетом того, что масштабы перемещения генов между организмами, не являющимися близкими родственниками, остаются предметом изучения и дебатов. Независимо от того, какое направление примут эти дебаты в ближайшие годы, широкое распространение ГПГ и очевидное отсутствие непреодолимых барьеров означает, что мир прокариот представляет собой один перемешанный пул генов. Этот пул имеет сложную, разделенную на отдельные районы структуру, в которой удаленные друг от друга части обмениваются генами с меняющейся в широких пределах интенсивностью. Горизонтальный перенос генов влияет на разные классы генов в разной степени, по крайней мере частично в соответствии с гипотезой сложности, но ни один ген, похоже, не избавлен полностью от возможности ГПГ. Критически важно понимать, что существенный уровень ГПГ жизненно необходим для выживания бесполых популяций прокариот на больших интервалах времени, ибо иначе такие популяции вымирают в результате мутационной катастрофы. Таким образом, существенный темп ГПГ является условием sine qua non для постоянного выживания и эволюции в мире прокариот. Кроме того, рассмотрение роли ГПГ в формировании эволюционных процессов в геномах прокариот, вместе с универсальными законами масштабирования, приводит нас к заключению, пусть пока только качественному, что пул генов прокариот является в целом хорошо перемешанным, несмотря на все локальные неоднородности.
