Очевидно, что адаптивная реакция на конкретный фактор окружающей среды должна быть опосредована молекулярным механизмом, который бы вызывал изменение в соответствующем гене (или генах). В этом состоит явное отличие от хода дарвиновской эволюции: в ней окружающая среда не является фактором, вызывающим адаптивные изменения, скорее она служит источником внешнего селективного давления, которое способствует фиксации тех случайных изменений, что адаптивны при данных условиях (см. рис. 9–1). Дарвиновская схема проще и менее взыскательна по сравнению со схемой Ламарка, поскольку Дарвину не требовались специальные механизмы, направляющие мутации в соответствующие локусы генома и ограничивающие изменения конкретными мутациями, которые обеспечивают необходимую адаптацию.
С другой стороны, режим эволюции Ламарка был бы более эффективным и быстрым по сравнению с дарвиновским. В самом деле, за предпочтение дарвиновского механизма приходится платить втридорога: многочисленные мутации, что возникают в геномах, по-настоящему вредны, так что их носители погибают, другие почти нейтральны и иногда закрепляются с помощью дрейфа, однако при этом не вносят непосредственного вклада в адаптивную эволюцию. Поэтому ламарковская схема оказалась бы очень полезной для эволюционирующих организмов, будь она практически осуществимой. Трудность обнаружения или даже гипотетического представления механизмов направленного адаптивного изменения в геноме отправила сценарий эволюции Ламарка на долгие десятилетия в мусорную кучу истории науки.
Несмотря на существенные различия в механизмах и невзирая на кажущуюся «расточительность» дарвиновской модальности, которая контрастирует с потенциальной эффективностью эволюции по Ламарку (см., однако, дискуссию ниже в этой главе), схемы Дарвина и Ламарка похожи: у обеих конечные результаты преимущественно адаптивны, и в этом отношении, они радикально отличаются от случайного дрейфа. Последний процесс может быть обозначен как «райтовская модальность эволюции», в честь Сьюэлла Райта, одного из отцов-основателей популяционной генетики и создателя концепции случайного генетического дрейфа (см. рис. 9–1 и гл. 2). В последующих разделах я расскажу о недавних исследованиях некоторых феноменов, которые, на мой взгляд, заставляют нас возвратиться к одной из версий ламарковского сценария в качестве важного вклада в эволюцию на уровне геномов и организмов.
Ламарковские и квазиламарковские явления в эволюции
Системы антивирусного иммунитета CRISPR-Cas у прокариот: демонстрация аутентичног омеханизма по Ламарку
Система антивирусной защиты и адаптивного иммунитета у архей и бактерий, которая в последнее время была изучена благодаря целой серии открытий, часто случайных, по всей видимости, работает непосредственно через предложенный Ламарком механизм. Такая система известна как CRISPR-Cas (или просто CRISPR, для краткости). Аббревиатура CRISPR означает «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», а Cas – «белки, ассоциирующиеся с CRISPR» (Deveau et al., 2010; Karginov and Hannon, 2010; Koonin and Makarova, 2009; van der Oost et al., 2009). CRISPR-повторы содержат короткие уникальные участки-спейсеры, встроенные внутри палиндромных повторяющихся блоков. Геномы архей и бактерий содержат кассеты (группы тандемно организованных, тесно сцепленных, функционально связанных локусов) с многочисленными CRISPR-блоками – во многих случаях более одной кассеты на геном. Хотя CRISPR-повторы были открыты еще в 1980-х, за годы до первых расшифровок полных бактериальных геномов, только гораздо позже стало понятно, что CRISPR-кассеты в геномах практически всегда примыкают к группе cas-генов. Cas-гены кодируют различные ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот, включая нуклеазы, геликазы и, возможно, полимеразы[90].
После того как было показано, что некоторые из уникальных спейсеров в CRISPR-кассетах идентичны фрагментам генов бактериофагов и плазмид, была высказана гипотеза о том, что CRISPR-система использует полученные от фагов последовательности в качестве молекул-шаблонов для разрушения мРНК-фагов аналогично эукариотической РНК-интерференции (РНКи) (Makarova et al., 2006). Хотя большую часть деталей механизма еще предстоит выяснить, главные предсказания этой гипотезы к настоящему времени подтверждены: наличие спейсера, последовательность которого в точности комплементарна мишени, то есть соответствующей последовательности в фаговом геноме, необходимо для резистентности[91]; РНК-шаблоны, содержащие CRISPR-спейсеры, образуют комплексы с несколькими Cas-белками и используются для борьбы с инфекцией; могут приобретаться новые спейсеры, которые делают бактерию или архею устойчивой к соответствующим фагам. Примечательно, что, судя по всему, некоторые CRISPR-системы нацелены на вирусные мРНК, как и постулирует изначальная гипотеза, тогда как другие уничтожают вирусную ДНК непосредственно (Barrangou et al., 2007; Brouns et al., 2008; Hale et al., 2009; Marraffini and Sontheimer, 2008).
Рис. 9–2. Система CRISPR-Cas и механизм ее действия как пример ламарковской эволюции. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.
Механизм наследственности и эволюции генома, реализованный в CRISPR-Cas системе, представляется в полной мере ламарковским (см. рис. 9–2).
• Стимул из внешней среды (эгоистичный генетический элемент, такой как вирус) используется для непосредственного изменения генома.
• Возникающая модификация (уникальный элемент-специфичный спейсер) напрямую влияет на фактор, вызвавший изменение.
• Модификация явно адаптивна и наследуется потомками клетки, столкнувшейся с эгоистичным элементом.
CRISPR-опосредованная наследственность, по-видимому, не очень устойчива: даже близкородственные геномы архей и бактерий не содержат одинаковых вставок. Подразумевается, что, как только бактерии или археи перестают сталкиваться с конкретным агентом (вирусом), соответствующие спейсеры быстро вырождаются. В самом деле, вставки вряд ли могут быть эволюционно стабильными в отсутствие сильного селективного давления, поскольку единственная мутация сразу делает их бесполезными. Кроме того, во многом подобно адаптивной иммунной системе у животных, CRISPR-системы в редких случаях демонстрируют свойство аутоиммунности: спейсеры, идентичные фрагментам обычных генов клетки-хозяина, вставляются в CRISPR-кассеты и, предположительно, нарушают экспрессию соответствующих генов (Stern et al., 2010). Несмотря на некоторую эфемерность наследственности CRISPR, ее ламарковский характер неоспорим: адаптивная эволюция организмов происходит непосредственно в ответ на внешний фактор среды и результатом является конкретная адаптация (резистентность) к данному специфическому фактору[92].
Другие (квази)ламарковские системы, функционирующие по принципу CRISPR
Интересно и поучительно сравнить особенности наследственности и эволюции в случае CRISPR-системы с соответствующими характеристиками эукариотической РНК-интерференции (RNAi) и, в частности, малых интерферирующих (si) РНК и PIWI-взаимодействующих (pi) РНК, то есть с защитными системами эукариот, в общих чертах функционально аналогичными CRISPR. Для начала вспомним примечательный и довольно загадочный факт: белковый аппарат эукариотической РНК-интерференции не гомологичен Cas-белкам; белковые компоненты этой сложной эукариотической системы были собраны из прокариотических доменов, которые первоначально были вовлечены в исполнение других функций (см. гл. 7; Shabalina and Koonin, 2008). Очевидное отсутствие ортологов для любого из Cas-белков в клетках эукариот позволяет предположить, что эта система каким-то образом исключена из эукариотического мира отбором, хотя лежащее в основе селективное давление представляется смутно. Единственным намеком может служить общая причина утраты оперонов у эукариот, которую мы обсуждали в главе 7: опероны исчезают под действием рекомбинационного храповика, и гены, которые требуют особенно тесной координации экспрессии или же вредны вне контекста действия оперона, устраняются путем очищающего отбора[93].
В отличие от CRISPR-Cas, системы РНК-интерференции не используют механизм Ламарка напрямую. Тем не менее они явно демонстрируют характерные «ламарковские» черты. Система siРНК (отдельный вид РНКи) «обучается» внешним агентом (вирусом) путем генерации малых интерферирующих РНК, комплементарных вирусным генам (Kim et al., 2009). Этот процесс, безусловно, имеет сходство с CRISPR-механизмом, но, кроме того, напоминает, по крайней мере метафорически, «изменение повадок» по Ламарку. Более того, система имеет некоторый уровень памяти, поскольку во многих организмах миРНК амплифицируются, и устойчивость к соответствующему вирусу может сохраняться в течение нескольких поколений (Ding, 2010). Подобная стабильность миРНК служит одним из проявлений получающего все более широкое признание РНК-опосредованного наследования, которое иногда называют парамутацией (Hollick, 2010). Ключевое отличие от CRISPR состоит в том, что (насколько известно в настоящее время) миРНК не записываются в геном, так что здесь имеет место лишь эпигенетическая наследственность ламарковского типа, но не полноценная генетическая наследственность.
