III. Полинуклеотидный (Пн) выбор

Представленные данные свидетельствуют о том, что характер геномных перестроек, т.е. потеря или приобретение генетического материала, транслокации или инверсии сегментов ДНК зависит от наличия, размера, ориентации, типа и локализации в геноме повторяющихся элементов ДНК. То есть, события генетической изменчивости неслучайны по типу, локализации в геноме и вероятности. Это означает, что программа изменений геномов определяется структурой самих геномов.

Гены, а во многих случаях сегменты ДНК, содержащие (или не содержащие) гены (МГЭ, геномные острова), интегрируют в геном в случае присутствия в нём адекватной области (сайта) интеграции. Следовательно, последовательность нуклеотидов ДНК-мишени является одним из компонентов материала некого внутреннего отбора для наследования или не наследования новой генетической информации. Это первый этап приобретения генетической информации, и он необходим как для включения в геном фрагмента ДНК, поступившего извне (горизонтальный перенос), так и для интеграции резидентного фрагмента ДНК в новый сайт внутри генома или в другой геном той же клетки.

Стабильность интегрированного сегмента ДНК в геноме определяется свойствами фланкирующих его нуклеотидных последовательностей. То есть, если фланкирующие последовательности не благоприятствуют эксцизии (например, отсутствуют протяжённые прямые повторы), то интегрированный фрагмент стабилен. При этом сегмент ДНК может быть стабильным (или нестабильным) совершенно независимо от присутствия в нём экспрессирующегося гена, влияющего на фенотип, и, соответственно, независимо от условий внешней среды в её классическом понимании. Это означает, что утрата генетического материала запрограммирована особенностями строения геномов, а не определена особенностями внешней среды, в которой находится носитель генома. Верно и другое: носитель генома находится в тех или иных условиях, потому что они соответствуют его возможностям, сформировавшимся после акта редукции.

Однако как уже было отмечено, фактор отбора работает и в этой системе, но он не связан со свойствами организма (бактериальной клетки), а связан со свойствами наследуемого сегмента ДНК, внешней средой для которого является нуклеотидная последовательность-мишень. Одним из первых эту мысль в общей форме сформулировал Ричард Докинс в книге «Эгоистический ген» [36, стр. 47],а позже другие авторы развили её применительно к мигрирующим генетическим элементам, и другим ДНК, не кодирующим селективных признаков (эгоистическая ДНК) [75, 40].

Нужно сказать, что ещё раньше идею о направленном характере изменений ДНК, изменений в рамках некой внутренней программы высказали наш соотечественник Л.С. Берг и Р. Гольдшмит. Берг ещё в 1922 году в труде «Номогенез, или эволюция на основе закономерностей» писал; «Замечательно, что организм обладает способностью активно приспосабливаться к среде, обнаруживая при этом как бы присутствие некоего внутреннего регулирующего принципа, а с другой стороны — развитие идет, нередко вопреки внешним условиям, в определенном направлении в силу внутренних конституционных причин, связанных с химическим строением протоплазмы» [2, 1, с. 135]. Те же идеи высказывал Р.Гольдшмит; «... зародышевая плазма...регулирует процесс развития в соответствии с постоянной программой.» [47]. Ещё более определённо высказывались Д.Н. Соболев и Ю.А. Филипченко. В книге «Начала исторической биогенетики, Киев, 1924» Соболев пишет: «... в понятие эволюции следует вкладывать определённое содержание, именно под этим именем нужно понимать развитие начал, заложенных в самом развивающемся существе, развёртывание определённого плана, предначертанного природой...» [цит. по 6].О том же говорит Филипченко: «...при эволюции играли главную роль какие-то внутренние силы, заложенные в самих организмах,...в чём именно состояли эти силы, каково их происхождение...на этот счёт нам ничего не известно...» [6].

Таким образом, отечественные эволюционисты — Берг, Гольдшмт, Филипченко, Соболев, Любищев [3], которые считали, что ведущим фактором эволюции является некая программа, заложенная в самом эволюционирующем организме, более, чем на пол-столетия опередили основоположников идеи эгоистической ДНК. Перечисленные отечественные учёные не могли знать ничего о содержании эволюционной программы, почти ничего не знаем об этом и мы, но данные геномики позволили нам представить себе, каковы молекулярные механизмы, используемые этой программой.

Одна из задач данной работы — показать, что большинство актов внедрения в геном фрагментов генетического материала (из другого генома или из другого сайта этого же генома), независимо от наличия или отсутствия в привносимом материале фенотипически значимого гена (ов), происходит в строгой зависимости от реципиентной нуклеотидной последовательности. Выбор нового сегмента ДНК, подлежащего внедрению в геном или удалению из генома, под влиянием свойств ДНК-мишени принципиально отличается от классического естественного отбора тем, что объектом его действия является не фенотипический признак, а последовательность нуклеотидов.

Этот выбор приобретаемого геномом фрагмента ДНК под влиянием свойств ДНК-мишени, обеспечиваемый рекомбиназой, можно назвать полинуклеотидным (Пн)-выбором. Предлагаемый термин должен облегчить дистанцирование от классического термина «естественный отбор». Пн-выбор — это выбор полинуклеотидов под влиянием полинуклеотидного контекста. Пн-выбор — тоже естественный процесс, который представляет собой этап, предшествующий классическому дарвиновскому отбору. Поэтому мне представляется целесообразным считать естественный отбор состоящим из двух этапов: 1) полинуклеотидного выбора и 2) фенотипического (дарвиновского) отбора.

Пн-выбор не имеет отношения к внешней среде в её традиционном понимании и действует на любой фрагмент донорного генетического материала, независимо от характера информации, которую этот материал содержит (или не содержит).

Компонентами Пн-выбора являются:

1. наследуемый (или удаляемый из генома) полинуклеотидный фрагмент,

2. полинуклеотидная последовательность-мишень или сайт интеграции (делеции),

3. фермент(ы), осуществляющий рекомбинационный акт.

Основные изменения ДНК-мишени, то есть изменения «среды обитания» для вновь наследуемой ДНК происходят, в основном, за счёт транслокаций, делеций, инверсий и самих интеграций. Как уже упоминалось раньше, эти события, приводящие к формированию новых нуклеотидных последовательностей, не зависят от какого-либо селективного давления внешней среды. То есть, в рамках концепции Пн-выбора «внешняя среда» для наследуемой и сохраняемой новой генетической информации формируется без участия внешней среды в обычном понимании.

Рассмотрим пример сложной перестройки, приводящей к созданию новой нуклеотидной последовательности и, как следствие, нового адаптивного признака. При голодании в стационарной фазе большая часть популяции E.coli гибнет, тогда как выживают мутанты GASP (от g rowth a dvantage in s tationary p hase). Существует несколько классов таких мутаций. Один из них представлен мутациями sgaA. Это двухэтапная перестройка, названная IN(cstA::IS 5 -IS 5 D), в которой участвуют элементы IS 5. В хромосоме дикого типа на расстоянии 60 т.н.п. от гена cstA находится неактивный оперон ybeJ - gltJKL - ybeK, перед которым расположен элемент IS 5 D. Ген cstA и оперон ybeJ - gltJKL - ybeK транскрибируются впротивоположных направлениях. На первом этапе происходит внедрение нового IS 5 между промотером и CRP сайтом гена cstA. Внедренный IS 5 оказывается винвертированой позиции по отношению к резидентному. На втором этапе происходит инверсия фрагмента между двумя IS 5 за счёт рекомбинации между ними (Рис.6). Инверсия активирует ранее неактивный оперон ybeJ - gltJKL - ybeK за счёт подстановки к нему CRP-связывающего сайта гена cstA. CRP активирует ins5A промотер p_5l [58], связываясь с CRP сайтом. Одновременно с этим инактивируется ген cstA. В этом не было бы ничего особенно замечательного, если бы в момент инактивации исходно активного гена он не обеспечивал бы бактериям селективного преимущества. Ген cstA кодирует олигопептид-пермеазу, индуцируемую голоданием и, обеспечивая возможность утилизации олигопептидов [96], способствует выживанию в стационарной фазе, так как позволяет голодающим бактериям утилизировать олигопептиды погибших [120].

Рис. 6. Схема двухэтапной перестройки, приводящей к возникновению селективного преимущества. (См. пояснения в тексте)

 

 

Такая перестройка интересна тем, что она инактивирует ген, дающий бактериям селективное преимущество — возможность утилизировать олигопептиды, однако, активация оперона ybeJ - gltJKL - ybeK предоставляет другую возможность — более эффективно, чем клетки дикого типа утилизировать мономерные аминокислоты. Таким образом, инактивация одного гена и активация другого приводит к возможности использовать другой источник питания, то есть адаптироваться к другой экологической нише [121].

Этот пример делает очевидным, что инсерция IS 5 происходит не потому, что она даёт селективное преимущество. Инверсия IN(cstA::IS 5 -IS 5 D) выключает индуцированный ген cstA, который уже обеспечивал селективное преимущество. Однако активация оперона ybeJ - gltJKL - ybeK обеспечивает новое селективное преимущество. Как инсерция, так и инверсия происходят потому, что этому благоприятствует структура генома: между промотором и CRP сайтом гена cstA есть сайт интеграции IS 5, а внедрение IS 5 обеспечивает возможность рекомбинации между двумя копиями, что в свою очередь, приводит к инверсии. Очевидно, что возникновение нового вполне определённого адаптивного признака становится возможным и ожидаемым, благодаря вполне определённому строению конкретного участка генома и свойствам элемента IS 5.

Как патогенным бактериям и простейшим, так и комменсалам, свойственны различные виды антигенной изменчивости [см. 4, 114, 105]. Молекулярные механизмы антигенной изменчивости различны, но все они, так или иначе, связаны с геномными перестройками. Так, например, у возбудителей сонной болезни трипаносом около 20 теломер (из 44) содержат гены VSG (Variant Surface Glycoprotein), которые кодируют поверхностный доминантный антиген. Из 20 возможных сайтов экспрессии работает только один. После укуса мухи це-це в организме позвоночного с частотой около 10^-3 на клетку на генерацию происходит смена VSG. Смена обеспечивается за счёт рекомбинации между экспрессирующейся копией гена и одним из многих сотен молчащих гомологичных, но не идентичных аллелей [см. 89]. Очень интересно еще и то что, согласно более поздним данным, молчащая копия гена VSG переносится в сайт экспрессии не сама по себе, а в составе группы (примерно из 6) генов [77, 60]. Одним из генов этой группы является ген рецептора белка трансферина [23]. Этот рецептор обеспечивает способность трипаносом связывать нагруженный ионами железа трансферин теплокровного хозяина. Смена рецептора означает появление способности связывать иной трансферин и, следовательно, выживать, если предыдущий трансферин приносил недостаточно ионов железа. Вся группа генов переносится в сайт экспрессии с частотой максимум 10^-3. Таким образом, имеет место реализация некой программы, направленной на появлении в популяции фракции, экспрессирующей рецептор альтернативного трансферина. В том случае, если предыдущий трансферин исчез (смена хозяина) или стал неэффективным, появление нового рецептора позволит фракции, им располагающей, выжить. На мой взгляд, здесь наблюдается реализация програмы преадаптации к возможным изменениям среды обитания, а не фенотипического отбора. Итак, каждая клетка трипаносом содержит около 1000 нееэкспрессирующихся гомологичных генов VSG (и какое-то количество генов рецепторов трансферина), которые не были удалены как ненужные. Они, на самом деле, и не являются ненужными, так как выполняют очень полезную функцию — обеспечивают смену антигенов и рецепоров трансферина для ухода от действия иммунной системы и возможности утилизации ионов железа при смене условий существования. Однако пока ген не экспрессируется он для фенотипического отбора не существует, является «невидимым» для внешней среды. Фенотипический отбор должен опираться на определенный фенотипический признак. Следовательно, фенотипический отбор не мог способствовать закреплению и сохранению многих сотен молчащих гомологичных копий генов VSG в ходе филогенеза трипаносом. В рамках концепции Пн-выбора экспансию генов VSG можно объяснить не тем, что она была для чего-то необходима, а тем, что для неё были соответствующие молекулярные возможности в геноме. Соответственно, сохранение молчащих копий генов в этом и во всех других случаях объясняется отсутствием молекулярных условий для их делетирования. Остаётся непонятным, как осуществляется выбор одной молчащей копии из сотен для перемещения в сайт экспрессии и рекомбинации (последовательность смены антигенов подчиняется некой программе). Также непонятно, чем определяется частота смены VSG, то есть транспозиции, так как при заражении через шприц она равна 10^-6 , а при укусе мухи це-це около 10 ^-3 [102].

Подобные, но не идентичные системы антигенной изменчивости описаны для многих микроорганизмов и одноклеточных простейших. В большинстве случаев механизмы фазовых вариаций и антигенной изменчивости предетерминированы локализацией и видом повторяющихся последовательностей и МГЭ [см.4, 105, 18] Более поздние данные только подтверждают это положение. Так, установлено, что локализация наиболее распространённых в геноме трипаносом повторяющихся последовательностей, — ретропозонов RIME и Ingi, — неслучайна [25]. Также неслучайными оказываются и генетические изменения, за счёт которых меняет свои поверхностные антигены возбудитель болезни Лайма — Borrelia burgdorferi. В плазмиде этой спирохеты находятся одна экспрессирующаяся (vlsЕ) и 15 «молчащих» копий кассет с геном основного поверхностного липопротеина VLS. В генах vls есть 6 консервативных и 6 высоковариабельных областей; последние, вероятно, и определяют разнообразие антигенного репертуара. Как экспрессирующаяся, так и «молчащие» копии vls фланкированы прямыми повторами консервативных 17-членных последовательностей TGAGGGGGCTATTAAGG. После инфекции индуцируется механизм рекомбинационного обмена между экспрессирующейся и «молчащими» копиями vls. 17-членные последовательности, скорее всего, распознаются рекомбиназами, которые осуществляют замещение фрагментов гена vlsЕ на гомологичные, но не идентичные участки ранее не экспрессировавшихся копий vls. Так происходит постоянная смена эпитопов поверхностных антигенов боррелий в организме теплокровного хозяина [118]. Генетический механизм смены антигенов у возбудителя болезни Лайма очень похож на таковой, свойственный возбудителю гонореи, и в этом примере не было бы ничего удивительного, если бы не ограничение генных кассет прямыми повторами 17-членных последовательностей. Всё-таки, обычно, прямые повторы способствуют удалению из генома заключённого между ними участка ДНК. В данном случае справедливо обратное — неэкспрессирующиеся копии генов vls сохраняются в геноме плазмиды, несмотря на то, что они ограничены прямыми повторами.

Следовательно, различные генетические механизмы смены антигенов представляют собой программы геномных перестроек, которые детерминированы полинуклеотидными последовательностями генома микроорганизма. Сказанное, на мой взгляд, соответствует концепции Линн Капорале, которая говорит о том, что геномы эволюционируют в направлении совершенствования способности к эволюции, в направлении готовности к предстоящим переменам условий существования[см. 29, 30].

Ранее говорилось о том, что одним из доминирующих механизмов внедрения участков генетического материала в ДНК-мишень является интеграция в сайты, находящиеся в генах тРНК и тмРНК. Как уже говорилось, гены тРНК имеют три сайта интеграции, два из которых симметричны, а один — нет. Интегразы, связывающиеся с этими сайтами, строго специфичны, т.е. взаимодействуют либо с симметричными, либо с не симметричными сайтами [82, 115]. Следовательно, установлению этой строгой специфичности должна была предшествовать коэволюция генов тРНК и генов интеграз. (Это, в принципе, относится к любой системе ДНК-белкового взаимодействия). Трудно себе представить, что было предметом фенотипического отбора на этапах координированной эволюции генов, кодирующих ферменты, и последовательностей-мишеней этих ферментов. Интересно, что во многих случаях гены интеграз и сайты интеграции сцеплены, что тоже не может быть случайностью [119, 53]. Конечным результатом такой коэволюции является образование координированной системы интеграции (или транспозиции) сегментов ДНК в определённый сайт генома. Данный конечный результат не может быть объектом фенотипического отбора, так как неизвестно, какой именно фенотипический признак привнесёт с собой наследуемый сегмент ДНК и «принесёт» ли он какой-нибудь признак вообще. Предположение, что такая система создавалась «на всякий случай», несостоятельно, так как фенотипический отбор не обладает даром предвидения. Это справедливо и для сохранения в геноме сотен молчащих генов VSG у трипаносом, которые, однако, могут понадобиться, и для других подобных случаев. Единственная возможность сохранить в представлении об эволюции таких двух (и более) компонентных систем роль фенотипического отбора состоит в следующем. Можно предположить, что при первом акте объединения в одном геноме гена, кодирующего интегразу или транспозазу, и нуклеотидной последовательности-мишени, которую этот фермент способен узнать, произошло успешное «срабатывание» новой системы, при котором в сайт-мишень интегрировался фенотипически значимый ген, то есть ген, придавший клетке селективное преимущество. В этом случае за счёт естественного отбора был отобран привнесённый ген. Но так как клон, его содержащий, уже имел новую систему ДНК-белкового взаимодействия, обеспечивающую интеграцию новых сегментов ДНК в новый сайт, то и она могла быть косвенным образом отобрана. Десять лет назад для того, чтобы распространить роль фенотипического отбора на косвенный отбор неселектируемых признаков (на самом деле, цитируемая работа относилась к отбору так называемых эволюционных генов, например, генов-мутаторов) такой отбор был назван отбором второго порядка [110, 16]. Значит, чтобы сохранить за фенотипическим отбором возможную роль в возникновении систем интегративной рекомбинации, нужно предположить, что в каждом из случаев возникновения таких систем одна из первых «сборок» их компонентов сопровождалась транспозицией или интеграцией, привносящими селективное преимущество. Теоретически это, наверное, возможно. Однако об этом мы ничего не знаем.

Пн-выбор представляется более древним механизмом формирования генома, чем классический фенотипический отбор, так как должен был оперировать раньше, чем возникли полноценные клеточные формы жизни и, соответственно, селектируемые фенотипические признаки. Это более универсальный механизм, так как оперирует на нуклеотидных последовательностях независимо от наличия в них рамок считывания (генов).