Чтение онлайн

В предыдущей главе мы обсудили несколько универсальных зависимостей между геномными переменными (законы геномики), в частности обратно пропорциональную зависимость между численностью функциональных классов генов и размером семейств паралогичных генов данного класса. Теперь мы не можем избежать вопроса, как относятся между собой законы геномики и ГПГ, который является столь заметным процессом в мире прокариот. Действительно, сравнительный геномный анализ показывает, что генные семейства прокариот формируются в большей мере за счет ГПГ, чем за счет дупликации генов (Treangen and Rocha, 2011). Большинство генов, которые выделяются как паралогичные при анализе одиночного генома, в действительности являются псевдопаралогами (Makarova et al., 2005). Вне зависимости от пути происхождения распределение размера семейств с высокой точностью воспроизводится моделями рождения, смерти и инноваций (см. рис. 4–7). Единственное объяснение этого соответствия, по всей видимости, заключается в том, что темп рождения и смерти генов в действительности пропорционален не размеру семейства в данном геноме, а размеру семейства в резервуаре генов-доноров. Поскольку степенные распределения размера семейств очень близки для всех геномов, резервуар доноров в действительности означает всю вселенную прокариотических геномов. Другими словами, этот аспект структуры вселенной геномов может быть описан в рамках универсального степенного закона распределения размеров семейств генов (очевидно, это распределение весьма отличается от структуры ядра – оболочки – облака, так как оно относится к обширным семействам паралогичных генов, а не строго определенным группам ортологов).

Та же логика применима и к масштабированию функциональных классов генов (то есть зависимости численности классов от общего числа генов, см. гл. 4). Учитывая, что ГПГ вносит основной вклад в генетический состав прокариотических геномов, (почти) универсальные законы масштабирования требуют, чтобы вселенная геномов прокариот рассматривалась как единый резервуар генов. Теорию эволюции, отражающую центральную роль ГПГ, еще только предстоит разработать в явном виде. Однако универсальность законов масштабирования и изложенные выше качественные соображения заставляют предполагать, что в среднем геномная вселенная прокариот является хорошо перемешанным резервуаром генов. Конечно, существуют существенные локальные неоднородности и «скоростные магистрали» ГПГ (см. гл. 6), но в среднем темп перемешивания генов достаточно высок для того, чтобы обеспечить законы универсального масштабирования.

Одной из самых больших надежд, связанных со сравнительной геномикой, является возможность, по крайней мере в принципе, определить «геномные профили» организмов с резко отличающимися стилями жизни (фенотипами), то есть наборы генов, которые необходимы и достаточны для поддержания этих стилей жизни. В имеющейся в настоящее время и быстро растущей коллекции геномов прокариот различные стили жизни часто представлены множественными, сильно отличающимися геномами – таким образом похоже, что подошло время всерьез начать изучение геномно-фенотипических связей. До сих пор в этом направлении можно констатировать лишь весьма скромный успех. Когда стиль жизни связан с хорошо изученным биохимическим путем, таким как у метаногенов или у фотосинтезирующих организмов, идентификация геномного профиля может быть относительно простой задачей. Но даже в этом случае анализ генов, кодирующих белки, вовлеченные, например, в фотосинтез, демонстрирует сложное переплетение признаков, специфичных для стиля жизни и для конкретного таксона. Наиболее полный набор генов для фотосинтеза был зафиксирован у цианобактерий, в то время как другие группы фотосинтезирующих бактерий обладают различными подмножествами этого набора генов (Mulkidjanian et al., 2006).

Геномные профили более сложных фенотипов, таких как термофили или устойчивость к радиации, оказались намного более неуловимыми. Возможно, наиболее настойчивые попытки были посвящены поиску сигналов термофильной адаптации. Примечательно, что был обнаружен один ген, присутствующий во всех секвенированных геномах гипертермофилов, но полностью отсутствующий у мезофилов, и продукт этого гена – белок, абсолютно необходимый для репликации ДНК при экстремально высоких температурах, обратная гираза (Forterre, 2002). Кроме того, геном умеренного термофила Thermus thermophilus (штамм HB27) содержит псевдоген обратной гиразы, в то время как близкородственный ему штамм HB8 содержит работоспособный ген обратной гиразы, что демонстрирует процесс избавления от обратной гиразы после вероятного перехода от гипертермофильного к умеренно термофильному стилю жизни (Omelchenko et al., 2005). Однако поиск других генов, специфичных для термофилов, принес ограниченные результаты. Иных генов, кроме обратной гиразы, показывающих явную корреляцию их присутствия-отсутствия с (гипер) термофильностью, обнаружено не было; для гипертермофильных архей и бактерий нашлось лишь несколько генов, которые существенно чаще присутствовали в их геномах по сравнению с геномами мезофилов (Makarova et al., 2003). Кроме того, было предпринято много попыток определить характерные признаки фенотипа термофилов на уровне нуклеотидных и белковых последовательностей и структур. Хотя эти исследования выявили несколько признаков, потенциально характерных для белков термофилов, таких как высокая плотность заряда и большее, чем обычно, представительство дисульфидных мостиков, реальная значимость каждого из этих признаков остается неопределенной (Beeby et al., 2005). На филогенетических деревьях высококонсервативных генов (см. гл. 6) термофилы часто группируются в одном кластере с мезофилами – так, белки бактерии Thermus группируются вместе с их гомологами из мезофильной бактерии Deinococcus (вспомните, например, известную полимеразу Taq, незаменимое орудие генной инженерии). Эти факты показывают, что общая эволюционная история оказывает намного более сильное влияние на белковые последовательности, чем термофильные (и другие) адаптации. Итоговый вывод подобных исследований заключается в том, что сравнительная геномика до сих пор не в состоянии выявить «секреты» (гипер)термофильного стиля жизни. (Интуитивно можно было бы подозревать, что должна быть существенная разница между геномами, кодирующими организмы с оптимальной температурой роста, превышающей 95 °C, и теми, для которых она составляет 37 °C.)

История поиска особенностей геномов, коррелирующих с экстремальной устойчивостью к радиации и высыханию, может быть даже более показательна. Некоторые бактерии и археи, лучше всего из которых описана бактерия Deinococcus radiodurans, демонстрируют сопротивляемость экстремальному уровню радиации, что, как считается, является побочным эффектом их адаптации к высыханию. Всесторонний анализ генома D. radiodurans напрямую не выявил никаких уникальных признаков генома или систем репарации ДНК, которые могли бы объяснить исключительную способность этих организмов переносить повреждения, вызываемые радиацией, хотя были идентифицированы гомологи белков растений, использующиеся для повышения сопротивляемости высыханию и в то же время не обнаруженные ни у каких других бактерий (Cox and Battista, 2005; Makarova et al., 2001a). Deinococcus radiodurans является популярной экспериментальной моделью, поэтому для описания реакции этой бактерии на высокие дозы облучения впоследствии были предприняты исследования процессов транскрипции и особенностей состава ее белков. Эти исследования возбудили определенный интерес, так как было зафиксировано существенное увеличение экспрессии некоторых экспериментально не исследованных генов, кодирующих белки с предсказанной ролью в процессах, потенциально связанных с радиационной устойчивостью, таких как репарация двойных разрывов в молекулах ДНК (Liu et al., 2003). Однако нокаут этих генов не повлиял на сопротивляемость радиации, в то время как нокаут нескольких других генов, которые не кодируют никаких известных доменов и не экспрессируются на повышенном уровне при облучении, делал организм чувствительным к радиации (Blasius et al., 2008; Cox and Battista, 2005; Makarova et al., 2007a). Сравнительный анализ двух родственных устойчивых к радиации бактерий D. radiodurans и D. geothermalis не только не смог разрешить проблему геномных особенностей, определяющих устойчивость к радиации, но даже еще более запутал ее (Makarova et al., 2007a). Никаких генов, имеющих явное отношение к сопротивляемости радиации, которые бы были уникальными для этих устойчивых бактерий, открыто не было. Более того, ортологи многих генов D. radiodurans, экспрессия которых усиливается в условиях повышенной радиации, попросту отсутствуют у D. geothermalis. Тщательное сравнение структуры оперонов и предполагаемых регуляторных областей в двух геномах Deinococcus позволило предсказать регулон, ответственный за устойчивость к радиации (Makarova et al., 2007a). Однако роль большинства генов, составляющих этот предсказанный регулон, в обеспечении устойчивости к радиации и высыханию остается невыясненной. Главные свойства генома, определяющие устойчивость к радиации, по-прежнему неуловимы, и растет количество свидетельств, демонстрирующих, что важная роль при этом принадлежит генам, которые повышают устойчивость неожиданными косвенными способами, такими как регулирование внутриклеточной концентрации двухвалентных катионов, оказывающих влияние на степень разрушения белков, вызванного облучением или высыханием (Daly, 2009).

Рис. 5–8. Неизоморфное, многозначное отображение геномного и функционального пространств.

Единственный вывод, который можно сделать в рамках текущего состояния дел по поводу связей между геномом и фенотипом у прокариот, заключается в том, что эти связи являются многогранными, и конкретные наборы генов, ответственных за формирование сложных фенотипов, идентифицировать непросто, несмотря на существование явных генов-сигнатур, связанных с определенными стилями жизни (такими как обратная гираза в случае гипертермофильности). Сложность соотношения геном – фенотип может быть представлена в виде неизоморфного многозначного отображения между геномным и функциональным пространствами прокариот (Koonin and Wolf, 2008b). Каждый ген плейотропен (связан с множеством функций), и каждая функция мультигенна (связана со многими генами; см. рис. 5–8). Мы пришли к этому важному выводу при анализе геномов прокариот, но, без сомнения, он отражает общее правило отсутствия детерминизма при отображении генотип – фенотип (см. гл. 13).

Сам термин и концепция прокариот в последнее время ставятся под сомнение как устаревшие и основанные на негативном определении: отсутствии органелл, давших свое имя «высшим» организмам (эукариотам), – ядер (Pace, 2009b, 2006). Вместо представляющегося неадекватным понятия прокариот было решительно предложено классифицировать формы жизни исключительно на базе филогенетического разделения, которое исходно возникло из деревьев рРНК и было подтверждено деревьями нескольких других (почти) универсальных информационных генов (Pace, 2009a). Что касается негативного определения прокариот, то ему было противопоставлено определение, основанное на позитивных признаках, таких как сопряжение транскрипции и трансляции (Martin and Koonin, 2006b) [55] . Каковы бы ни были относительные достоинства этих аргументов, сравнительная геномика пролила свой собственный свет на проблему прокариот. Как обсуждалось в этой главе, между археями и бактериями наблюдается очень небольшая степень сохранения репертуара генов (КОГ) и даже еще меньшая степень сохранения в организации специфических оперонов. Действительно, на эволюционных деревьях, построенных на основе сравнения репертуара генов и консервативных пар соседних генов, разделение между бактериями и археями весьма четкое (Wolf et al., 2002).

С этим разделением резко контрастирует единство общей организации геномов бактерий и архей. Несмотря на некоторые исключения, главный принцип организации генома может быть легко выражен следующим сжатым описанием: бактерии и археи имеют компактные геномы с короткими межгенными промежутками, устроенные таким образом, что множество генов формируют директоны, которые имеют тенденцию функционировать как опероны. Формирование директонов, многие из которых становятся оперонами, можно рассматривать как непосредственное следствие компрессии генома (дальнейшее обсуждение этой проблемы в гл. 8). Эволюционная устойчивость оперонов затем обеспечивается совместным действием очищающего отбора и частого ГПГ, в соответствии с концепцией эгоистичного оперона. Одинаковый принцип организации геномов бактерий и архей появился как непосредственное следствие давления отбора, которое действует в процессе эволюции этих форм жизни. Эти факторы отбора, в свою очередь, сами калибруются популяционной динамикой (см. гл. 8). Рассматривая все это вместе, я не могу не прийти к концепции прокариот как формы жизни, характеризующейся особым режимом эволюции, включающим всесторонний и неотъемлемый ГПГ, который создает хорошо перемешанный резервуар генов и приводит к общему типу организации их генома. Является ли термин «прокариоты» удачным для описания этой части биосферы, остается спорным вопросом (мы внесем некую ясность в эту проблему при обсуждении происхождения эукариот в гл. 7), но, вероятно, все же второстепенным.

Безусловно, прогресс в наших знаниях о мире прокариот, достигнутый благодаря успехам сравнительной геномики, огромен. Многие из основных закономерностей и моделей, обсуждавшихся здесь, такие как явные отличия архей и бактерий, наряду с фундаментальным сходством в режимах их эволюции и вытекающей из этого организацией генома, оперонная организация генов бактерий и архей и существование ГПГ, были замечены еще в предгеномную эру, но скорее как отдельные случаи, чем как общие тенденции. Сравнительная геномика позволяет исследователю определить, насколько общим является любая наблюдаемая тенденция, и достоверность подобных выводов увеличивается по мере роста размера коллекции секвенированных геномов. В начале геномной эры существовала надежда на открытие нового набора законов геномики. И действительно, при сравнении геномов прокариот были открыты некоторые почти универсальные количественные закономерности. Наилучшими кандидатами на статус законов геномики можно считать специфическую зависимость доли генов разных функциональных классов от размера генома, степенной закон распределения размеров семейств генов и универсальное распределение скоростей эволюции ортологичных генов (см. гл. 4).

Однако в общем и целом по итогам 15 лет работы в области сравнительной геномики, вероятно, правильнее говорить о закономерностях, ограничениях и, возможно, принципах, но не о законах, высеченных на камне. Действительно, в терминах общей организации, основная масса геномов архей и бактерий примечательно похожа и построена в соответствии с одним и тем же простым «генеральным планом» с плотным расположением кодирующих белки и РНК генов, организованных по большей части в виде директонов, как правило, с одной точкой начала репликации. Большинство генов архей и бактерий имеют простую организацию с непрерывной кодирующей последовательностью и короткими регуляторными участками. По-видимому, существует нетривиальная связь между функциями генов и сложностью генома: распределение числа генов, принадлежащих различным функциональным классам, оказывается (почти) одинаковым для широкого спектра доступных геномов, с почти постоянным «замороженным» набором генов, участвующих в процессе трансляции, и резким ростом числа генов-регуляторов и сигнальных белков при увеличении размера генома. Увеличение «бюрократического груза» вместе с энергетическими ограничениями, вероятно, являются важными факторами, устанавливающими верхний предел на размер генома прокариот и, соответственно, сложность их строения. Эти закономерности приближаются к законам геномики настолько близко, насколько это только можно представить, хотя, как всегда это бывает в биологии, существует множество исключений из любого правила.

Важнее, что в пределах этих простых ограничений мы наблюдаем огромное разнообразие и сложность содержания, функционирования и истории прокариотических геномов. Показательные примеры этого встречаются в изобилии. Демонстрация того, что значительное большинство генов в каждом геноме являются не ОРС, а имеют ортологи, является краеугольным камнем сравнительной геномики и эволюционных реконструкций сценариев. Однако обратная сторона медали, а именно фрагментарное распределение кластеров ортологичных генов в геномном пространстве, является не менее фундаментальной закономерностью. Это распределение – результат действия основных факторов, формирующих эволюцию прокариот: ГПГ, потери генов, что часто вызвано упрощением генома, и замены генов неортологами, что отображает неизоморфное соответствие между геномным и функциональным пространствами. Практически неограниченная пластичность архитектуры геномов прокариот, обусловленная частыми геномными перестройками, которые порождают разнообразные вариации на темы консервативных оперонов, а также открытие ранее неизвестных систем передачи сигналов, регуляции и защиты (лишь несколько примеров которых кратко были рассмотрены в этой главе) еще более увеличивают сложность геномного пространства прокариот, открытого сравнительной геномикой.