Рис 5–4. Анализ генов в геномах архей и бактерий на предмет таксономической близости наиболее близких гомологов. Показаны данные для гипертермофильной бактерии Thermotoga maritima и для мезофильной археи Methanosarcina mazei. Результаты были получены программой BLASTP путем поиска аминокислотных последовательностей всех белков в каждом геноме с использованием базы данных последовательностей белков NCBI (Altschul et al., 1997).
Ключевая проблема «горизонтальной геномики» – отношение между специфичной для каждого семейства потерей генов и ГПГ. Фундаментальные исследования выявили сложный и нетривиальный характер эволюции прокариот, проявляющийся в «пятнистой» филогенетической структуре, наблюдаемой для многих КОГ (см. рис. 5–5). Такую картину можно объяснить либо ГПГ, либо потерей генов, либо комбинацией этих двух явлений. Простейший (и наиболее, как принято говорить, экономный) эволюционный сценарий можно вычислить, когда известно соотношение скоростей процессов ГПГ и потери генов. Но это отношение (которое, несомненно, различно для разных групп прокариот[53], что будет обсуждаться ниже в этой главе и в гл. 6) является одним из самых больших белых пятен в прокариотической геномике. Известно несколько глобальных реконструкций эволюции прокариот, все из которых основывались на некоторой версии принципа экономии и использовании того или иного сценария с переменным соотношением скоростей приобретения/потерь или попытками оценки оптимальной величины этого соотношения (Kunin and Ouzounis, 2003; Mirkin et al., 2003). Результатом этих исследований был вывод о том, что в процессе эволюции прокариот ГПГ может быть почти так же или несколько менее (вероятно, приблизительно вдвое) распространен, как потеря генов. Соответственно, в процессе эволюции большинства КОГ, по всей видимости, произошло по меньшей мере одно событие ГПГ, даже в пределах того ограниченного множества организмов, которые были проанализированы. Конечно, эти исследования проводились на базе сильно упрощенных предположений, таких как одинаковая для всех организмов частота ГПГ и потери генов внутри групп прокариот; представления, что высокая сложность предковых форм малоправдоподобна (казалось бы, естественная, но, по-видимому, ложная идея; см. гл. 8 об эволюции сложности); и, собственно, концепции дерева видов. Хотя результаты не сильно зависят от топологии дерева видов, базовое представление о дереве с обособленными ветвями, представляющими эволюцию сравниваемых организмов, необходимо при любой реконструкции. В этом заключается фундаментальная проблема, которая достигает буквально философских высот: для того чтобы содержательно обсуждать горизонтальный перенос, сперва непременно следует определить главное, вертикальное направление эволюции. Однако, если организмы обмениваются генами с высокой скоростью, в предельном случае совершенно свободно и равномерно, концепция вертикальной эволюции не имеет никакого смысла, так же как и противоположная ей концепция ГПГ. Следовательно, представление эволюции прокариот в виде паутины (сети) кажется логической неизбежностью (см. рис. 5–6). Я должен, однако, оговориться: хотя древовидная компонента эволюции и не обязана существовать, в эволюции прокариот она на самом деле прослеживается. Она схематически изображена на рис. 5–6 и будет главной темой в главе 6.
Рис. 5–5. Филетическая карта КОГ. Закрашенные кружки символизируют наличие члена КОГ в геноме, незакрашенные обозначают их отсутствие.
Здесь же мы продолжим обсуждение ГПГ с пониманием того, что древовидная структура действительно наблюдается как важная центральная тенденция эволюции прокариот (см. гл. 6). Широко распространено мнение, что «информационные» гены, кодирующие белки, вовлеченные в процессы трансляции, транскрипции и репликации, намного менее склонны к ГПГ, чем операционные гены, кодирующие ферменты, вовлеченные в метаболизм, транспортные системы и другие «операционные» белки. Обоснование этой точки зрения заключается в так называемой гипотезе сложности (Jain et al., 1999). В соответствии с этой гипотезой, причина низкого темпа ГПГ среди информационных генов заключается в том, что белки, кодируемые этими генами (в отличие от белков, кодируемых большинством операционных генов), обычно являются составными частями сложных белковых машин, которые сильно взаимно адаптированы и, таким образом, не могут быть легко заменены соответствующими ортологами из эволюционно далеких организмов (известными как ксенологи). Однако справедливость гипотезы сложности и ее применимость в общем случае остается неясной, так как и среди информационных генов обнаружено много очевидных случаев ГПГ. Весьма неожиданно, что эти случаи включают не только подавляющее большинство аминоцил-тРНК синтетаз (АРСаз), ферментов, функционирующих в относительной изоляции, но также многие рибосомные белки, являющиеся компонентами молекулярной машины трансляции, рибосомы (Makarova et al., 2001b). Явные свидетельства ГПГ были также обнаружены для таких традиционных маркеров вертикальной филогении, как субъединицы ДНК-зависимой РНК-полимеразы (Iyer et al., 2004a). Разница в режимах эволюции информационных и операционных генов, очевидно, обусловлена как значительно меньшим распространением замены генов неортологами, так и снижением частоты ГПГ как такового среди информационных генов.
Рис. 5–6. Сетевое представление эволюции прокариот.
В свое время было высказано предположение, что ГПГ между близкородственными организмами (в соответствии с оценкой степени похожести их субъединиц рРНК и других консервативных генов) более широко распространен, чем ГПГ между эволюционно далекими организмами, и такой градиент ГПГ может вносить существенный вклад в наблюдаемую филогенетическую связь между различными группами прокариот (Gogarten et al., 2002). Систематическое изучение способности генов, полученных от других бактерий, комплементировать функции ортологов, показало, что с увеличением степени расхождения последовательностей ортологичных генов комплементация становится менее эффективной (Diaz et al.2011). Это наблюдение интуитивно привлекательно, так как перенесенный ген должен работать в другой клеточной среде, и, таким образом, можно ожидать, что чем меньше расхождение между набором генов донора и реципиента и структурой генов-ортологов, тем более вероятно, что перенесенный ген успешно приживется и будет зафиксирован отбором. Представляется вероятным, что различия в фиксации перенесенных генов в мире прокариот могут быть фактором, обеспечивающим целостность и стабильность геномов, вопреки интенсивному ГПГ. Мы вернемся к этому вопросу в главе 6 в контексте концепции древа жизни.
В завершение этого краткого обсуждения различных аспектов ГПГ в мире прокариот вернемся к гипотезе эгоистичного оперона, которая постулирует, что «организация бактериальных генов в виде оперонов выгодна для составляющих его генов, так как их близкое расположение облегчает совместный перенос всех генов, необходимых для отбираемого фенотипа» (Lawrence, 1999). Между функциональностью оперона и эгоистичным характером его эволюции нет противоречия. Оперон является «упакованной» функциональной единицей, часто включающей регулятор собственной активности. В этой роли опероны будут зафиксированы после акта ГПГ с большей вероятностью, чем одиночные гены. Тогда как первоначальная фиксация оперона происходит под влиянием преимуществ совместной регуляции функционально связанных генов, их сохранение и распространение по миру прокариот, осуществляемое при посредничестве ГПГ, происходит в эволюционном режиме, который придает оперонам некоторые (но определенно не все) свойства эгоистичных мобильных элементов. Кроме того, свойство эгоистичности оперонов можно рассматривать как способ преодоления ограничений, налагаемых гипотезой сложности, принимая во внимание, что большинство наиболее распространенных оперонов кодируют субъединицы белковых комплексов (см. предыдущую дискуссию в данной главе). Прекрасной иллюстрацией этой точки зрения является история эволюции мембранных протонных и натриевых АТФ-синтаз, в течение которой оперон, кодирующий множество (до восьми) субъединиц этих сложных молекулярных машин, неоднократно переносился между археями и бактериями (Mulkidjanian et al., 2008).
Каков, таким образом, главный вывод o распространенности и роли ГПГ в мире прокариот? С моей точки зрения, бесспорно, что ГПГ является определяющим процессом в эволюции прокариот, влияющим на все аспекты биологии бактерий и архей. Попытки отрицания ГПГ как маргинального феномена устарели и обречены на неудачу. Метафора паутины эволюции (см. рис. 5–6), по-видимому, становится неотъемлемой частью эволюционной биологии. Однако на количественном уровне вопрос o масштабах ГПГ еще далеко не решен, а также еще далеко не ясно, каковы те главные факторы, которые приводят к горизонтальному переносу индивидуальных генов и оперонов. Эти проблемы являются центральными для нашего понимания эволюции прокариот. В главе 6 мы обратимся к ним прямо.
