Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Этот вывод подтверждается сравнительно-геномными реконструкциями предковой композиции ключевых функциональных систем LECA, таких как поры ядра (Mans et al., 2004), сплайсосомы (Collins and Penny, 2005), аппарата РНК-интерференции (Shabalina and Koonin, 2008), системы передачи сигналов посредством убиквитина и протеасом (Hochstrasser, 2009), аппарата внутренних мембран (Field and Dacks, 2009) и аппарата деления клетки (Makarova et al., 2010). Итоги этих исследований ясны и согласуются между собой, даже когда в качестве шаблона для реконструкции используются различные топологии филогенетического древа эукариот: LECA уже обладал всеми этими структурами со всей их функциональностью, возможно столь же сложной, как и у современных эукариот.
Реконструкция других аспектов геномной композиции и архитектуры LECA также указывает на высокую сложность предкового генома. Сравнительный геномный анализ положения интронов в ортологических генах внутри супергрупп и между ними свидетельствует о высокой плотности интронов у предков супергрупп и у LECA, не меньшей, чем у современных свободноживущих одноклеточных эукариот, a вероятнее всего, близкой к богатым интронами генам животных и растений (ниже в данной главе мы вернемся к примечательной истории эукариотических интронов более подробно).
Систематический анализ широко распространенных паралогичных генов эукариот указывает на то, что LECA предшествовали сотни дупликаций, особенно генов, вовлеченных в кругооборот белков, таких как молекулярные шапероны (Makarova et al., 2005). В итоге эти результаты ясно показывают, что LECA был типичной, полностью развитой эукариотической клеткой. В последующей эволюции эукариот не проявляется постоянной тенденции к повышению сложности клеток, за исключением специфических для ряда линий «украшательств», обнаруженных в группах многоклеточных (животных, растений и бурых водорослей), а также у некоторых протист, таких как зеленые водоросли или жгутиконосцы.
Стволовая фаза: темные века эволюции эукариот
Демонстрация того, что LECA обладал высокой сложностью клеточной организации, подразумевает наличие ключевой, стволовой (то есть предшествующей расхождению ныне существующих ветвей) фазы в эволюции эукариот (см. рис. 7–3), после появления эукариотических клеток, но до появления LECA. Среди остальных эволюционных событий стволовая стадия включала широкомасштабную дупликацию ряда генов, так что набор предковых генов примерно удвоился (Makarova et al., 2005). Как долго продолжалась стволовая фаза в эволюции эукариот? С учетом того, что мы не осведомлены о каком-либо генетическом разнообразии до LECA, интуиция подсказывает, что эта фаза была очень краткой, откуда следует, что события между появлением первой эукариотической клетки и LECA развертывались в быстрой последовательности, возможно взрывообразно (см. рис. 7–3а). Однако существует совершенно законная и логически корректная альтернатива: стволовая фаза была долгой и в ней происходили постоянные расхождения, но LECA (напомню, что это последний общий предок всех современных эукариот) – это тот, кто выжил в одной из линий, тогда как остальные вымерли (см. рис. 7–3б). Некоторые из попыток датировать первичное расхождение эукариот – или, другими словами, оценить возраст LECA – дают результаты, согласующиеся с версией о долгой стволовой фазе.
Рис. 7–3. Эволюция эукариот до и после LECA: а – сценарий «взрыва» с короткой стволовой фазой в эволюции; б – сценарий с продолжительной стволовой фазой ствола и значительным вымершим разнообразием, предшествовавшим LECA.
Молекулярная датировка событий эволюционного расхождения – весьма специализированная область исследований с множеством сложных технических проблем (Bromham and Penny, 2003; Graur and Martin, 2004). Нам придется пропустить основную часть технических подробностей и перейти прямо к результатам. Заметим что принцип состоит в том, чтобы сопоставить молекулярные данные о дивергенции (то есть результаты сравнения последовательностей, привязанные к филогенетическому древу) с палеонтологическими свидетельствами, используя нескольких точно датированных ископаемых в качестве калибровочных точек (например, самые ранние несомненные ископаемые млекопитающие датируются примерно 120 миллионами лет назад, так что это – самое позднее время начала распространения млекопитающих). Принимая строгие или нестрогие молекулярные часы, можно получить временную оценку для любого события дивергенции относительно взятых калибровочных точек и для данной топологии древа. Такие оценки могут быть достаточно достоверны, когда они представляют собой интерполяцию (то есть вывод о времени дивергенции внутри временного интервала, ограниченного калибровочными точками), но гораздо менее надежны, если получены путем экстраполяции (даты за пределами калибровочного интервала). К сожалению, для древних датировок, таких как возраст LECA, экстраполяция неизбежна. Временные оценки, полученные разными исследователями, охватывают чрезвычайно широкий диапазон дат между 1000 миллионами лет назад и 2300 миллионами лет назад. Несколько недавних, независимых и технически продвинутых исследований, использовавших нестрогие модели молекулярных часов или РГИ с похожим поведением в ходе эволюции, независимо привели к концепции «молодого LECA», которая помещает первичное расхождение эукариот в промежуток примерно от 1100 до 1300 миллионов лет назад (Chernikova et al., 2011; Douzery et al., 2004). Конечно, проблема не решена, но это, по-видимому, наилучшая из имеющихся на сегодня оценок возраста LECA. Из такой оценки следует долгая стволовая фаза в несколько сотен миллионов лет (см. рис. 7–3б), поскольку не вызывающие сомнений окаменелости эукариот относятся ко времени более чем 1500 миллионов лет назад (Knoll et al., 2006).
Этот вывод заставляет серьезно переоценить наши современные знания о ранней эволюции эукариот. С одной стороны, результаты реконструкции, описывающие LECA как одноклеточного эукариота современного типа с полностью развитыми характерными функциональными системами эукариотической клетки, становятся менее неожиданными: действительно, похоже, что имелось достаточно времени для эволюции этих черт с момента появления (примитивной) эукариотической клетки. То же самое верно и для ряда генных дупликаций, отнесенных к LECA: согласно сценарию длинного ствола, они не произошли взрывообразно; было достаточно времени, чтобы гены дуплицировались постепенно. С другой стороны, стволовая фаза – это настоящие темные века в эволюции эукариот: мы не знаем о них почти ничего и можем надеяться узнать предельно мало. В самом деле, LECA по сути является «горизонтом событий» для сравнительной геномики: используя только сравнение геномов, мы не можем заглянуть в фазу ствола. Можно получить некоторое представление о том, что тогда происходило, тщательно изучая дупликации предковых эукариотических генов, но это практически единственный источник информации о стволовой фазе. Мы не имеем представления о реальном разнообразии эукариот темных веков, и надежда на то, что мы сможем оценить его в будущем, очень мала. Данные ископаемых выявляют некоторое разнообразие, но эта летопись никогда не будет полной, и трудно даже сказать, насколько она неполна. За немногими исключениям, ископаемые останки эукариот раннего и среднего протерозоя вряд ли представляют какой-нибудь из существующих ныне таксонов – наблюдение, которое следует интерпретировать осторожно, но которое в принципе согласуется со сценарием «молодого LECA» и идеей о существовании некоторого вымершего разнообразия, которое в настоящее время недоступно для наблюдения (см. рис. 7–3б). Очевидна возможность, что LECA был тем организмом-«первооткрывателем», который захватил митохондриального эндосимбионта, и что эндосимбиоз инициировал распространение дошедших до нас эукариот. Из этого сценария следует, что предки LECA, разнообразные эукариотические Protozoa, представляют вымершую, первично амитохондриальную биоту Archezoa. Однако есть другая, возможно более убедительная версия – что митохондриальный эндосимбиоз на самом деле дал начало появлению эукариот как таковому, так что эукариоты темных веков уже содержали митохондрии либо МПО. Мы обсудим эту дилемму и доводы в поддержку гипотезы об инициированном эндосимбиозом возникновении эукариот ниже в этой главе, после того как рассмотрим связи между эукариотами и прокариотами, обнаруженные путем сравнения геномов.
Корни эукариот среди архей и бактерий
Поиск архейного и бактериального «родителей» эукариот
Все эукариоты являются гибридными (химерными) организмами как в смысле клеточной организации, так и в отношении набора генов. Действительно, как отмечалось ранее в этой главе, все ныне существующие эукариоты, по-видимому, обладают митохондриями либо МПО, произошедшими от альфа-протеобактерий, а растения и многие группы Chromalveolata к тому же содержат пластиды, произошедшие от цианобактерий. Набор генов у эукариот представляет собой разнородную смесь генов, вероятно происходящих от архей, генов с наиболее вероятным бактериальным происхождением и генов неизвестного происхождения, считающихся в настоящее время специфическими для эукариот. Может показаться парадоксальным, что, хотя филогенетические деревья, основанные на генах рРНК и соединенных последовательностях белков, участвующих в передаче информации, таких как полимеразы, рибосомальные белки и субъединицы сплайсосом, уверенно объединяют архей и эукариот, независимые сравнения полных геномов сходятся на том, что у эукариот в три и более раза больше генов с ближайшими бактериальными гомологами, чем с ближайшими архейными гомологами (см. рис. 7–4; Esser et al., 2004; Koonin et al., 2004; Makarova et al., 2005). Архейный набор значительно обогащен генами, связанными с функциями обработки информации (трансляция, транскрипция, репликация, сплайсинг), тогда как бактериальный набор кодирует в основном ферменты метаболизма, мембранные белки и компоненты биогенеза мембран, различные сигнальные молекулы и другие «операциональные» белки (подробнее см. ниже в этой главе).
