Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции - Евгений Кунин

Первоначально некоторые из шаперонов были открыты как «белки теплового шока», то есть белки, которые резко усиливают свою активность при повышенной температуре (и, как было показано позже, при других стрессовых условиях) и противодействуют неправильной укладке других белков, которая усугубляется при стрессе (Vabulas et al., 2010). Хотя это явление менее детально исследовано, белковые шапероны также способствуют укладке молекул РНК (Russell, 2008; Woodson, 2010). В целом контроль над укладкой белков (и, вероятно, РНК) является, без сомнения, одной из основных функций во всех клетках.

Помимо устройств, подобных шаперонам, все клетки задействуют арсенал разнообразных молекулярных машин для контроля управляемого расщепления белков, в частности неправильно уложенных, и РНК. Как и молекулярные шапероны, эти машины — протеасомы, в случае белков, и экзосомы (деградосомы у бактерий) в случае РНК — повсеместно распространены во всех трех доменах жизни, присутствуют в изобилии в большинстве клеток и подвержены регулированию в условиях стресса (Hartung and Hopfner, 2009; Volker and Lupas, 2002; см. также гл. 7). Кроме того, эти машины, наряду с дополнительными вспомогательными системами регулируемого протеолиза, являются основными внутриклеточными потребителями энергии (АТФ). Бактерии дополнительно обладают высококонсервативными системами так называемой транс-трансляции, которые освобождают забуксовавшие рибосомы из аберрантных мРНК, на которых трансляция не в состоянии прекратиться должным образом, и предназначают такие мРНК и их белковые продукты (также аберрантные) к разрушению (Keiler, 2008).

Как мы подробно обсуждали в главе 7, эукариоты обладают важной стадией обработки информации, которая фактически не имеет эквивалента у прокариот: сплайсинг первичных транскриптов. Сопутствующая система контроля качества, по-видимому, эволюционировала одновременно с возникновением эукариот (см. гл. 7): механизм нонсенс-опосредованного распада (НОР), распознающий и уничтожающий аберрантные мРНК, которые содержат стопкодоны внутри экзонов помимо последнего, 3’-концевого экзона кодирующей последовательности (Behm-Ansmant et al., 2007; Stalder and Muhlemann, 2008).

Итак, контроль частоты ошибок и их влияния на биологические процессы передачи информации представляется одним из ключевых аспектов эволюции. По причинам, которые мы понимаем лишь частично (в лучшем случае), процент ошибок, по-видимому, не падает сильно ниже максимально допустимого значения: порога мутационного вырождения и соответствующего катастрофического порога фенотипических мутаций, который не изучен подробно, но предположительно существует. В случае частоты мутаций, простая неадаптивная теория популяционной генетики вполне способна объяснить наблюдаемые значения с достаточной степенью надежности (Lynch, 2010). Аналогичная аргументация была применена к фенотипическим мутациям (Burger et al., 2006), но в этом случае решение представляется менее очевидным.

Существует противоречие между относительно высокой частотой ошибок транскрипции, трансляции, сплайсинга, а также, весьма вероятно, укладки и исключительной сложностью устройств предотвращения повреждений, таких как протеасомы, экзосомы, системы НОР и др. Эволюция этих многоуровневых систем контроля предполагает, что вредное воздействие фенотипических мутаций при той частоте, что наблюдается при воспроизводстве клеток, довольно значительно, однако издержки отбора на повышение точности процессов были бы непосильными, и, соответственно, неоднократно выбирались альтернативные пути эволюции систем предотвращения повреждений.

В целом, по-видимому, борьба с энтропией является одним из важнейших аспектов эволюции. Отбор на уменьшение и контроль энтропии носит универсальный характер и последовательно распространяется по этапам передачи информации, от репликации до укладки и сортировки белков и РНК. Антиэнтропийная эволюция частично ведет к снижению самой частоты мутаций/ошибок, а частично действует на уровне контроля повреждений. Эволюционные эксперименты показывают, что отбор на повышение частоты мутаций действительно происходит. Тем не менее остается неясным, широко ли распространен такой отбор на повышение шума и достаточен ли уровень шума, который антиэнтропийные механизмы не способны устранить, чтобы обеспечить изменчивость, необходимую для эволюции. Мы обсудим эту ключевую проблему в следующих разделах.

Шум в биологических системах и его созидательная роль в эволюции

Никакой информационный канал не может быть свободным от шумов (см. гл. 4 и 8, и предыдущий раздел). Этот фундаментальный, обусловленный законами термодинамики аспект передачи информации делает эволюцию возможной благодаря достаточно высокой частоте ошибок репликации, даже в отсутствие отбора на повышение изменчивости (см. гл. 2). Как отмечалось в гл. 4, практически нейтральные мутации, накапливающиеся по чисто энтропийным причинам, образуют почти нейтральные сети, которые служат резервуарами эволюции, в том числе положительного отбора, особенно в изменяющихся условиях. Подчеркнем еще раз, что не только фиксирующиеся мутации, но и полиморфизмы, которые особенно многочисленны в больших популяциях, вносят вклад в важные для эволюции нейтральные сети. Кроме того, мы неоднократно видели, что увеличение частоты мутаций может быть полезно — и поддерживается отбором, как это имеет место в случае стресс-индуцированного мутагенеза и аллелей-мутаторов.

Здесь я хочу сосредоточиться на фенотипических мутациях и их возможной роли в эволюции. Стандартное, само собой разумеющееся представление сводится к тому, что фенотипический шум не имеет значения для эволюции (до тех пор, пока его вредные эффекты находятся под контролем), по той очевидной причине, что фенотипические мутации не наследуются. Тем не менее такой взгляд может страдать близорукостью благодаря так называемому упреждающему эффекту фенотипических мутаций. Как мы неоднократно наблюдали на страницах этой книги, ключевая проблема в ходе эволюции заключается в том, чтобы лавировать по неровному эволюционному ландшафту, двигаясь от локальных пиков приспособленности или плато к большим высотам на других пиках или плато. Этот путь часто проходит через расщелины, порой глубокие. Чтобы их преодолеть, необходима фиксация двух или более мутаций.

Очевидно, что это нетривиальная задача, учитывая, что первая мутация приводит к снижению приспособленности. В принципе такие трюки могут быть проделаны с помощью дрейфа, но шансы на фиксацию нескольких мутаций чрезвычайно низки, если первая требуемая мутация вредна; они падают до нуля, когда первая мутация оказывается летальной. Именно в этих случаях фенотипические мутации могут прийти на помощь. Когда для приобретения признака требуются две мутации, фенотипические мутации способны обеспечить незначительный уровень второй мутации, как только случилась первая. Если первая мутация вредна или даже летальна, в то время как две мутации, взятые вместе, дают преимущество, фенотипические мутации могут спасти организм и обеспечить для него выгодный фенотип (позволяя достичь труднодоступной высокой точки в ландшафте), пусть и с низкой частотой. Математическое моделирование показывает, что такой упреждающий эффект реализуем в достаточно широком диапазоне эффективных размеров популяции и коэффициентов отбора (Whitehead et al., 2008).