Парадокс сложности подразумевает, что сложные черты организации геномов «высших» организмов (большие семейства паралогичных генов, сложная регуляция экспрессии генов, альтернативный сплайсинг и многое другое), вероятно, появились не в качестве прямолинейных адаптаций или «улучшений». Объяснение возникновения этих усложнений – большая проблема для эволюционной биологии; возможный ответ пришел в виде новой теории эволюции сложности, предложенной Майклом Линчем в 2003 году (Lynch and Conery, 2003).
Рис. 8–2. Зависимость эволюционной сложности C и плотности биологической информации D от размера генома. Точки – грубые оценки, полученные по приведенным в этой главе формулам, при условии Н(i) = 0,5 для несинонимичных сайтов в белок-кодирующих областях и Н(i) = 1 для других сайтов. График выполнен в двойном логарифмическом масштабе.
Эффективный размер популяции как общая мера эволюционных ограничений: неадаптивная теория эволюции генома
Как уже говорилось в предыдущем разделе, наиболее сложные организмы на Земле располагают «высокоэнтропийными» геномами, которые представляются крайне неэффективными и «плохо спроектированными». То, что адаптивная эволюция приводит к таким результатам, на первый взгляд кажется просто невероятным. Неформально мотивацию для новой теории эволюции геномной сложности можно изложить следующим образом. Геномы сложных организмов содержат различные особенности, которые существенны для их организационной сложности, но кажутся бесполезными и, следовательно, на момент своего появления по крайней мере слегка вредны. Наиболее известной такой особенностью в геномах многоклеточных эукариот являются интроны, которые обеспечивают возможность альтернативного сплайсинга, происходящего в большинстве генов млекопитающих и представляющего собой главную основу разнообразия протеома (Blencowe, 2006; Wang et al., 2008), а также дуплицированные гены, являющиеся основным источником эволюционных новшеств и разнообразия для эукариот (Lespinet et al., 2002; Lynch and Conery, 2000). Эти геномы также несут в себе многочисленные эгоистичные элементы и прочую ДНК, не подверженную отбору и, в меру нашего понимания, являющуюся «мусором». Сохранение всех этих последовательностей в сложных геномах естественно объясняется слабым (неэффективным) очищающим отбором и, наоборот, большой ролью дрейфа в эволюции данных организмов.
В теории популяционной генетики эффективность очищающего, а также положительного отбора пропорциональна эффективному размеру популяции (Ne) для данного организма, в предположении постоянной скорости мутаций. Только те мутации, для которых |s|≫1/Ne (где s – коэффициент отбора, то есть разница в приспособленности между диким типом и соответствующим мутантом), могут быть эффективно зафиксированы (положительный отбор) или отбракованы (очищающий отбор) в ходе эволюции. С другой стороны, мутации с |s|≪1/Ne являются «невидимыми» для отбора. Эта простая зависимость, возможно, является основным фактором, определяющим ограничения, которые влияют на различные аспекты эволюции генома и фенома, в частности на фиксацию «украшений», характерных для геномов сложных организмов (Lynch, 2007b, 2007c; Lynch and Conery, 2003).
Действительно, различия в Ne, по-видимому, лежат в основе описанного выше качественного различия между архитектурами геномов одноклеточных и многоклеточных организмов. Существенное увеличение размеров генома представляется достижимым только в организмах с небольшими популяциями и сопутствующим слабым отбором. К сожалению, эффективный размер популяции оценить непросто, хотя имеющиеся грубые оценки варьируют в огромном диапазоне: от порядка 109 для бактерий до 105 и менее для животных (см. табл. 8–1). Более доступные оценки из уровня геномного полиморфизма, которые, как мы увидим в следующем разделе, могут быть даже более актуальными для понимания эволюции геномной сложности, приводятся для произведения Neu, где u – частота мутаций на сайт. Значения Neu изменяются в масштабах примерно двух порядков величины: от около 0,001 у бактерий до примерно 0,1 у позвоночных (см. табл. 8–1). Предсказывается, что сила отбора варьирует соответственно. Как результат, у прокариот, с их типично большими популяциями, даже очень слабовредные мутации со значениями s порядка 10-8 эффективно отбраковываются, и, напротив, в малых популяциях многоклеточных эукариот лишь мутации с относительно большими s порядка 10-4, влекущие за собой существенные последствия для приспособленности, будут уничтожены очищающим отбором. Как мы увидим в следующих разделах, это различие имеет решающее значение для хода эволюции, поскольку значения s для главных «украшений» в сложных геномах, например интронов, находятся в пределах этого диапазона. Таким образом, они в основном устраняются очищающим отбором у организмов с большим Ne, но не у организмов с малым Ne. Эволюционное сохранение любого геномного элемента не означает автоматически, что данный элемент удерживается от отбраковки отбором в силу своего функционального значения; как это ни парадоксально, такая эволюционная консервативность может отражать слабый очищающий отбор, недостаточный для устранения неадаптивных предковых особенностей (Koonin and Wolf, 2010b).
Конечно, Ne не является постоянной на всем протяжении эволюционной истории линии. Напротив, почти неизбежно происходят большие колебания, что приводит к популяционным «бутылочным горлышкам» (участки с низкой Ne), в течение которых эволюция почти полностью зависит от дрейфа, так что многочисленные мало и даже умеренно вредные мутации генома могут быть зафиксированы, обеспечивая сырьем дальнейшую эволюцию. Важно иметь в виду, что даже популяции с большим Ne могут фиксировать слабовредные мутации посредством генетической тяги и хитчхайкинга (см. гл. 2) и, кроме того, нести большой запас нейтральных и слабовредных мутаций, которые не фиксируются, но могут сохраняться в популяции в качестве полиморфизмов в течение длительного времени. Некоторые из этих персистирующих нефиксированных мутаций могут быстро фиксироваться, когда давление отбора меняется и мутация становится выгодной либо когда новая мутация создает полезное сочетание с одним из стойких полиморфизмов.
Эта несложная (и представленная здесь в нарочито упрощенном виде) теория, основанная на популяционной генетике, задает нулевую гипотезу для эволюции генома (Koonin, 2004). В следующих разделах мы рассмотрим эту теорию более подробно и, главное, увидим, выдержит ли она проверку данными сравнительной геномики.
Таблица 8–1. Характеристики популяции и особенности организации генома для различных клеточных форм жизни.
Генная архитектура эукариот: наглядная демонстрация неадаптивной теории эволюции генома
Эволюция экзон-интронной структуры гена у эукариот (см. также гл. 7) является отличным примером для обсуждения неадаптивной парадигмы популяционной генетики, позволяющим лучше разобраться в теории и ее предсказаниях. Прежде чем мы рассмотрим особенности эволюции генной архитектуры с этой точки зрения, необходимо понять связь между коэффициентом отбора s и грузом вредных мутаций, привнесенным дополнительным элементом генома (Koonin, 2009b; Lynch, 2007b, 2007c). Каждый добавленный в геном элемент увеличивает уязвимость к мутационной инактивации и тем самым «призывает» к отбраковке этого элемента в популяции. Если этот дополнительный элемент требует n нуклеотидов для сохранения функциональности соответствующего гена, это требование, очевидно, открывает возможность для n вредных мутаций, так что мутационный груз составляет s = nu. Опознание и эффективное удаление каждого интрона сплайсосомой требует участия примерно 25–30 нуклеотидов внутри интрона и смежных экзонов, окружающих донорную и акцепторную границы сплайсинга. Тогда условие для фиксации интрона в популяции выглядит как Neu ≪ 1/n или Neu ≪ 0,04.
Сравнивая значения Neu и плотности интронов в табл. 8–1, мы сразу видим отличное соответствие между теорией и наблюдениями. Позвоночные с их низкими значениями Neu, очевидно, находятся значительно ниже порогового значения. Действительно, в генах позвоночных наблюдается самая высокая плотность интронов из всех известных. Кроме того, эволюция позвоночных, по-видимому, включает крайне малый оборот интронов, что совпадает с теоретическим предсказанием о недостаточности силы очищающего отбора для устранения интронов в этих организмах. Беспозвоночные и растения находятся немного ниже порога и имеют промежуточные плотности интронов. В разительном контрасте с ними, большинство одноклеточных эукариот лежат выше порога, даже если и ненамного, и демонстрируют резкое падение плотности интронов (см. табл. 8–1).
