Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Некодирующий РНом позвоночных — возможно, главнейшее проявление сложности генома. Белок-кодирующие экзоны составляют около 1,5 процента генома млекопитающих, в то время как экзоны, соответствующие некодирующим РНК, по различным оценкам, занимают более 4 процентов генома — около 80 процентов кодирующего потенциала генома используется для молекул РНК, не транслирующихся в белки (Eddy, 2002). Это коренным образом отличается от кодирующих репертуаров прокариот и даже одноклеточных эукариот, в которых некодирующие РНК составляют лишь небольшую часть. Что еще более поразительно, ряд недавних исследований показывает, что большая часть — вероятно, более 60 процентов — генома млекопитающих транскрибируется на заметном уровне (Lindberg and Lundeberg, 2010; Mendes Soares and Valcarcel, 2006). Природа этой «темной материи» далеко не ясна. Иногда считается, что экспрессия подразумевает функциональный смысл транскрибируемой области генома. Однако, учитывая отсутствие какой-либо заметной эволюционной консервации большинства из этих транскрибируемых последовательностей и относительной легкости возникновения ложных (слабых) сайтов инициации транскрипции в случайных последовательностях ДНК, можно сказать, что почти наверняка большая часть темной материи — это транскрипционный шум. Тем не менее эта случайно транскрибируемая часть генома и «мусорная» ДНК в целом представляют собой огромный резервуар для генерации новых микроРНК и других некодирующих, но выполняющих структурные и регуляторные функции РНК, многие из которых плохо сохраняются в процессе эволюции и эволюционируют высокими темпами. Открытие обширного РНома животных показывает, что сложные геномы многоклеточных организмов и простые геномы одноклеточных форм жизни качественно различаются. Это различие интерпретируется самым естественным образом в рамках неадаптивной популяционно-генетической теории эволюции генома. Согласно этой теории, эволюция форм жизни с низким N_e и последующим слабым очищающим отбором приводит к накоплению большого количества интронной и межгенной мусорной ДНК, некоторые сегменты которой время от времени задействуются для различных функций. Масштаб преобразования ландшафта экспрессии генома, вызванного, видимо, в первую очередь простыми факторами популяционной генетики, поражает воображение и представляется соразмерным с интуитивно очевидной разницей в сложности (и, очевиднее всего, в размере) между млекопитающим и простейшим. Вспомним обсуждение эволюции последовательностей в главах 3 и 4: широкий набор нефункциональных транскриптов составляет почти нейтральное пространство, открытое для эволюции сложности в многоклеточных организмах. Такое почти нейтральное пространство неизбежно возникает в ходе эволюции организмов с низкой N_e по чисто энтропийным причинам.

Хотя масштаб задействования мусора довольно мал по сравнению с общим количеством некодирующей ДНК, он огромен по отношению к суммарному размеру белок-кодирующих последовательностей. Учитывая популяционное «бутылочное горлышко», через которое, скорее всего, проходил эукариогенез (см. рис. 8-3), вполне вероятно, что значительное количество мусорной ДНК эволюционировало на очень раннем этапе истории эукариот и, возможно, уже присутствовало у LECA — как и интенсивная случайная транскрипция. Можно представить себе, что на следующем этапе эволюции произошло «нарушение симметрии», которое привело к бифуркации, описанной при обсуждении истории интронов: линии с большим N_e установили строгий контроль за геномом, устранив большинство мусорной ДНК. В противоположность им, линии, не достигшие больших N_e, занялись «компенсацией» в виде постепенного приспосабливания возрастающего количества частей (бывшего) мусора под функциональную РНК (см. рис. 8-4).