Гены, эгоизм и сила сотрудничества: Эволюция как командная игра - Джонатан Силвертаун

самым неожиданным образом. Похоже, в ее самоопыляемых линиях кукурузы присутствовал ген, способный перемещаться (или транспонироваться) по девятой хромосоме, вызывая разрыв в месте своего внедрения. Гены по соседству с местом реинтеграции отключались, и это навело исследовательницу на мысль, что гены могут включать и выключать друг друга. Она также обнаружила второй подвижный ген, необходимый для активации первого[384], а позднее выяснила, что такие гены могут перемещаться и между хромосомами. Теперь мы знаем: они способны кочевать даже между видами.

Все открытия Макклинток были сделаны еще до того, как Уотсон и Крик описали структуру ДНК, и задолго до первого секвенирования генома. Дальнейшие исследования показали, что из двух подвижных генов, ныне известных как транспозоны, один кодирует фермент транспозазу, позволяющую транспозону менять дислокацию, а другой не способен производить транспозазу самостоятельно. Второй ген зависит от транспозазы, производимой первым, чтобы иметь возможность перемещаться. Мы уже встречали подобную зависимость у РНК-последовательностей, комменсальных бактерий и паразитов. То же самое сплошь и рядом встречается у вирусов. Во время инфекции эволюционируют мошеннические варианты, утратившие один или несколько генов, необходимых для репликации. Для распространения эти мошенники полагаются на кооперативные вирусы, которые делятся ферментами и белками вирусной оболочки как общественным благом[385].

Еще в 1950 году Макклинток предсказала, что транспозоны найдутся у всех организмов. Время подтвердило ее правоту, и в 1983-м – с большим опозданием – она получила Нобелевскую премию. Транспозоны крайне разнообразны, но кое-что их всех роднит между собой. Их последовательности обычно коротки и кодируют весьма ограниченное число белков. Все эти белки участвуют в транспозиции последовательности. Транспозоны – источник мутаций, способных мешать делению клеток и отключать гены, вызывая болезни. Так, внедрение транспозона в ген, кодирующий белок под названием антигемофильный глобулин, или фактор свертывания крови VIII, ведет к гемофилии. Мышечная дистрофия Дюшенна и предрасположенность к раку – другие состояния, вызываемые транспозонами[386].

Разумеется, люди не единственные жертвы транспозонов, да и мутации не единственный ущерб, причиняемый этими вредителями. Пожалейте бедных саламандр: они, видимо, были так ошарашены безудержным размножением транспозонов, что их геномы раздулись до размеров, в 40 раз превышающих наш. Этот дополнительный геном – не гены, а транспозоны, и такое паразитическое бремя имеет свою цену. По непонятным причинам большие геномы приводят к появлению больших клеток. Это верно как для растений, так и для животных. Стало быть, каковы бы ни были причины этой взаимосвязи, она должна носить фундаментальный характер. У саламандр этот эффект выражается в том, что клетки их мозга огромны. Умнее они от этого не становятся, скорее наоборот: при ограниченном объеме черепа цена его заполнения крупными клетками – малочисленность этих клеток. Интеллект же зависит от множества высокоорганизованных и тесно связанных между собой клеток мозга. Увы, саламандрам приходится играть неполной колодой. Впрочем, природа и не сажает их за покерный стол – так что им неплохо живется, пока их не трогают так называемые более разумные виды[387].

Не только эукариотические геномы содержат транспозоны – они есть и в бактериальных хромосомах, но у бактерий они обычно удаляются, а естественный отбор не дает им накапливаться. Исключение – транспозоны, объединяющиеся с генами, которые дают бактерии-хозяину явное преимущество, например устойчивость к антибиотикам. В отличие от бактерий, у эукариот транспозоны, судя по их количеству, накапливаются – а это значит, что удаление для них не такое легкое дело. Причина кроется в разнице между временем смены поколений у бактерий (около 20 минут) и у большинства эукариот (25 лет у людей). Короткое время генерации и огромный размер популяции оттачивают лезвие естественного отбора у бактерий, а вот у эукариот – вследствие противоположных условий – отбор работает не слишком успешно[388].

Хотя эукариотическим клеткам трудно избавляться от транспозонов, вред, который те могут причинить, стал мощным стимулом для эволюции защитных механизмов. Один из важнейших способов борьбы клеток с вредителями – присоединение к последовательности ДНК небольшой молекулы, называемой метильной группой. Метилированные последовательности транспозонов консервируются и со временем – поколение за поколением – инактивируются в результате мутаций, превращаясь в своего рода молекулярные ископаемые.

Метилирование ДНК – универсальный способ включать и выключать функциональные гены, и такой вид регуляторного генетического переключателя особенно важен в процессе развития. Метилирование накладывает поверх самих генов контрольный фильтр, изменяя их экспрессию. Сочетание генетики и метилирования порождает эпигенетику. Вероятно, метилирование ДНК изначально появилось в процессе эволюции как средство контроля за транспозонами и лишь затем стало инструментом управления сложным геномом эукариот через эпигенетические процессы[389]. Если так оно и было, перед нами пример несравненного «побочного продукта» защитного механизма.

Возможно, эпигенетические механизмы регуляции представляют собой косвенную защиту от геномных паразитов, но и сами транспозоны порой приносят прямую пользу. В конце концов эволюция застопорится без мутаций, а транспозоны – их главный источник. Половина многочисленных мутаций, обнаруженных генетиками у дрозофил, – «заслуга» транспозонов. Хрестоматийный пример естественного отбора в дикой природе демонстрирует случай благоприятной мутации.

В Северном полушарии обитает бабочка Biston betularia, или березовая пяденица (рис. 21). Днем она прячется под ветвями деревьев, а ночью летает. Обычно ее крылья и тело бледные, испещренные черными крапинками, но в середине XIX века британские натуралисты стали находить прежде неизвестные полностью черные, меланистические формы. Частота появления меланистов стремительно росла, достигая 90 % в самых загрязненных районах Англии. В экологически чистых местах кора деревьев светлее, стволы и ветви часто покрыты бледными лишайниками, но в загрязненных лишайники отсутствуют, а дым покрывает деревья слоем копоти. Одна из первых демонстраций естественного отбора в природе – эксперименты, показавшие, что распространение меланистической формы березовой пяденицы было результатом отбора, благоприятствовавшего бабочкам, менее заметным для птиц[390]. Теперь мы знаем, что мутацию, сделавшую пестрых бабочек черными, вызвало встраивание крупного транспозона в ген, влияющий на окраску. Даже время этого события установлено – 1819 год. В Британии как раз начиналась «угольная» промышленная революция[391].

Рис. 21. Biston betularia, типичная форма и черная (меланистическая) форма carbonaria

Меланистическая мутация оказалась счастливой случайностью: разводным ключом (транспозоном) стукнули по сложному механизму (геному) и каким-то чудом его починили. Изредка такие разводные ключи становились полезнейшими инструментами, предоставляя гены для появления и развития очень важных адаптаций[392]. Как у шнурков есть наконечники, не дающие им слишком быстро истрепаться, так и у хромосом на концах имеются защитные структуры – теломеры. С каждой репликацией хромосома слегка укорачивается с обоих концов. За время жизни клетки это укорочение могло бы нарушить работу функциональных генов, однако укорочение происходит за счет теломер. Последовательности теломер часто повторяются, но такая избыточность обеспечивает их устойчивость при укорочении. Как же хромосома обзаводится этой «жертвенной» повторяющейся последовательностью ДНК? Некоторым видам транспозоны предоставляют такую структуру в готовом виде. Очень мило с их стороны, спасибо им большое[393].

Транспозоны изящно решили и другую проблему эукариотической жизни. В нескончаемой битве эукариот с ордами врагов – бактерий и вирусов – паразиты обладают неизменным преимуществом в виде короткого времени смены поколений, что обеспечивает им огромную численность и способность к быстрой эволюции. Это преимущество настолько велико, что без решения этой проблемы крупные многоклеточные организмы вряд ли вообще смогли бы эволюционировать. Решением стала иммунная система, способная успевать за изменениями патогенов независимо от эволюции хозяина с ее черепашьей скоростью, ограничивающей адаптацию. Система, развившаяся у позвоночных, называется адаптивным иммунитетом.

Адаптивный иммунитет работает в два этапа: сначала выявляется присутствие чужеродного агента в организме, а затем настраиваются и размножаются иммунные клетки с особыми рецепторами, которые выискивают патоген и уничтожают его. Первый этап – выявление – особенно сложен, поскольку требует специфического молекулярного взаимодействия с потенциально безграничным разнообразием захватчиков. Ответ кроется в комбинаторике, то есть в объединении всеми возможными способами ограниченного числа вариабельных молекул для создания множества комбинаций. Возьмем, к примеру, слово из трех букв. На первое место можно поставить любую из 33 букв алфавита. Соединим каждую первую букву с каждой из 33 возможностей для второй – получим 332 = 1089, добавим третью букву – выйдет 333 =