Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

После того как было показано, что некоторые из уникальных спейсеров в CRISPR-кассетах идентичны фрагментам генов бактериофагов и плазмид, была высказана гипотеза о том, что CRISPR-система использует полученные от фагов последовательности в качестве молекул-шаблонов для разрушения мРНК-фагов аналогично эукариотической РНК-интерференции (РНКи) (Makarova et al., 2006). Хотя большую часть деталей механизма еще предстоит выяснить, главные предсказания этой гипотезы к настоящему времени подтверждены: наличие спейсера, последовательность которого в точности комплементарна мишени, то есть соответствующей последовательности в фаговом геноме, необходимо для резистентности[91]; РНК-шаблоны, содержащие CRISPR-спейсеры, образуют комплексы с несколькими Cas-белками и используются для борьбы с инфекцией; могут приобретаться новые спейсеры, которые делают бактерию или архею устойчивой к соответствующим фагам. Примечательно, что, судя по всему, некоторые CRISPR-системы нацелены на вирусные мРНК, как и постулирует изначальная гипотеза, тогда как другие уничтожают вирусную ДНК непосредственно (Barrangou et al., 2007; Brouns et al., 2008; Hale et al., 2009; Marraffini and Sontheimer, 2008).

Рис. 9-2. Система CRISPR-Cas и механизм ее действия как пример ламарковской эволюции. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.

Механизм наследственности и эволюции генома, реализованный в CRISPR-Cas системе, представляется в полной мере ламарковским (см. рис. 9-2).

• Стимул из внешней среды (эгоистичный генетический элемент, такой как вирус) используется для непосредственного изменения генома.

• Возникающая модификация (уникальный элемент-специфичный спейсер) напрямую влияет на фактор, вызвавший изменение.

• Модификация явно адаптивна и наследуется потомками клетки, столкнувшейся с эгоистичным элементом.

CRISPR-опосредованная наследственность, по-видимому, не очень устойчива: даже близкородственные геномы архей и бактерий не содержат одинаковых вставок. Подразумевается, что, как только бактерии или археи перестают сталкиваться с конкретным агентом (вирусом), соответствующие спейсеры быстро вырождаются. В самом деле, вставки вряд ли могут быть эволюционно стабильными в отсутствие сильного селективного давления, поскольку единственная мутация сразу делает их бесполезными. Кроме того, во многом подобно адаптивной иммунной системе у животных, CRISPR-системы в редких случаях демонстрируют свойство аутоиммунности: спейсеры, идентичные фрагментам обычных генов клетки-хозяина, вставляются в CRISPR-кассеты и, предположительно, нарушают экспрессию соответствующих генов (Stern et al., 2010). Несмотря на некоторую эфемерность наследственности CRISPR, ее ламарковский характер неоспорим: адаптивная эволюция организмов происходит непосредственно в ответ на внешний фактор среды и результатом является конкретная адаптация (резистентность) к данному специфическому фактору[92].

Другие (квази)ламарковские системы, функционирующие по принципу CRISPR

Интересно и поучительно сравнить особенности наследственности и эволюции в случае CRISPR-системы с соответствующими характеристиками эукариотической РНК-интерференции (RNAi) и, в частности, малых интерферирующих (si) РНК и PIWI-взаимодействующих (pi) РНК, то есть с защитными системами эукариот, в общих чертах функционально аналогичными CRISPR. Для начала вспомним примечательный и довольно загадочный факт: белковый аппарат эукариотической РНК-интерференции не гомологичен Cas-белкам; белковые компоненты этой сложной эукариотической системы были собраны из прокариотических доменов, которые первоначально были вовлечены в исполнение других функций (см. гл. 7; Shabalina and Koonin, 2008). Очевидное отсутствие ортологов для любого из Cas-белков в клетках эукариот позволяет предположить, что эта система каким-то образом исключена из эукариотического мира отбором, хотя лежащее в основе селективное давление представляется смутно. Единственным намеком может служить общая причина утраты оперонов у эукариот, которую мы обсуждали в главе 7: опероны исчезают под действием рекомбинационного храповика, и гены, которые требуют особенно тесной координации экспрессии или же вредны вне контекста действия оперона, устраняются путем очищающего отбора[93].