Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Интересным указанием на то, что горизонтальный перенос может быть адаптивным феноменом, служит уже упоминавшееся открытие агентов переноса генов (АПГ). Как отмечалось в главе 5, АПГ являются производными дефектных бактериофагов, которые заключают в себе, по-видимому, случайные фрагменты генома хозяина и переносят их внутри бактериальных и архейных популяций. Интереснейшие наблюдения переноса генов в морских бактериальных сообществах показывают, что АПГ довольно неразборчивы по отношению к бактериям, которых они инфицируют, и обеспечивают очень высокую интенсивность ГПГ (McDaniel et al., 2010). Свойства АПГ еще предстоит детально исследовать, но существует реальная возможность, что эти агенты представляют собой специально предназначенные для горизонтального переноса средства доставки, которые эволюционировали под селективным давлением, направленным на усиление обмена генами. Если это так, напрашивается вывод, что сам ГПГ выступает частично как адаптивный процесс (см. также обсуждение гипотезы оптимизации переноса в гл. 5). Подводя итог сказанному, мы, видимо, не можем избежать вывода, что некоторые из наиболее важных путей эволюции генома – по меньшей мере у прокариот – являются (квази)ламарковскими.

Стресс-индуцированный мутагенез и активизация мобильных элементов: квазиламарковский феномен

Дарвин подчеркивал эволюционную важность случайных, ненаправленных вариаций, в то время как ламарковская эволюция основана на направленной изменчивости, специфически вызываемой экологическими факторами. Реальная эволюция отвергает это противопоставление. Самой яркой иллюстрацией может служить комплекс разнообразных явлений, которые в совокупности известны как стресс-индуцированный мутагенез, одним из важных аспектов которого является активизация мобильных элементов. Явление такого типа впервые было описано Барбарой Макклинток, продемонстрировавшей (в серии классических экспериментов, которые в конечном итоге принесли ей Нобелевскую премию) активизацию «перескакивания генов» в растениях в условиях стресса, а также важность этой стресс-индуцированной мобильности отдельных «управляющих элементов» для возникновения резистентных фенотипов (McClintock, 1984).

Позднее столь же известный и спорный эксперимент Джона Кэрнса (John Cairns) с сотрудниками по восстановлению мутаций в Lac-опероне, индуцированному лактозой, впечатляющим образом вывел ламарковский механизм эволюции на видное место (Brisson, 2003; Cairns et al., 1988; Rosenberg, 2001). Кэрнс и его коллеги обнаружили заметное усиление реверсии мутаций рамки считывания в Lac-опероне в присутствии лактозы и смело предположили, что за наблюдаемым эффектом стоит классический ламарковский механизм эволюции – иначе говоря, лактоза непосредственно и направленно вызвала мутации в Lac-опероне.

Последующие, более тщательные исследования, включая работы Патрисии Фостер и самого Кэрнса, показали, что это не так: стресс, в частности выращивание культуры при недостатке питания, действительно вызывает мутации, но не в специфических локусах (Foster, 2000). Было показано, что все мутации, лежащие в основе реверсии Lac-фенотипа и других подобных фенотипов, дуцированы стрессом (Lac-клетки, высеянные на питательную среду с лактозой в качестве единственного источника углерода, испытывают голодный стресс), а не берутся из предсуществующего запаса редких, спонтанных мутаций.

Стресс-индуцированный мутагенез – в частности, механизм мутагенного восстановления в кишечной палочке, известный как SOS-репарация, – был открыт задолго до опытов Кэрнса. Более того, Мирослав Радман (Radman, 1975) и Харрисон Эколс (Echols, 1981) независимо друг от друга пришли к плодотворной мысли, что эта мутагенная форма репарации может быть адаптивным механизмом антистрессовой реакции, а не просто сбоем в работе восстановительных систем. Два десятилетия дальнейших исследований подтвердили эту замечательную идею, сомневаться в истинности которой уже нет разумных оснований. Несколько групп убедительных исследований подтверждают адаптивный характер неточной репарации ДНК (Foster, 2007; Galhardo et al., 2007; Rosenberg, 2001).

Активность SOS-каскада и других мутагенных механизмов репарации в бактериях тщательно регулируется, в частности, переключением с точного воспроизведения к подверженному ошибкам восстановлению разрывов двойной спирали под воздействием сигма-фактора РНК-полимеразы, RpoS, с тем чтобы, по-видимому, достичь оптимальной скорости мутаций. Важнее всего, что стресс-индуцированные мутации, возникающие вследствие склонных к ошибкам процессов репарации, хотя и не нацелены на конкретные гены, в то же время не разбросаны по геному беспорядочно. Напротив, эти мутации концентрируются вокруг двухцепочечных разрывов ДНК, которые вызваны различными стресс-факторами и привлекают к себе аппарат мутагенной репарации.