Дестабилизация развития как путь к эволюционным новшествам

Существуют ли новые, современные экспериментальные подтверждения модели ЭТЭ? По роду своей деятельности в течение последних пяти лет я еженедельно просматриваю ведущие журналы, в которых публикуются серьезные работы, в том числе экспериментальные, по эволюционной биологии, по расшифровке путей и механизмов конкретных эволюционных преобразований. Таких работ сейчас выходит огромное количество, и за пять лет я просмотрел их тысячи. Если, как утверждают сторонники ЭТЭ, их модель верна, а классическая модель - ошибочна, то новые экспериментальные данные хотя бы иногда должны на это указывать. Даже в том случае, если авторы исследования ничего не знают про ЭТЭ и ориентируются на классическую модель, следует ожидать, что публикуемые результаты должны систематически оказываться такими, что их будет легче интерпретировать с позиций ЭТЭ.

Выловить удалось немногое, гораздо меньше, чем можно было бы ожидать, исходя из допущения об абсолютном превосходстве ЭТЭ над классической моделью. Я расскажу о самой лучшей находке такого рода, об исследовании, результаты которого больше всего похожи на демонстрацию работоспособности модели ЭТЭ.

Эта работа была проведена на почвенной бактерии Bacillus subtilis. При наступлении неблагоприятных условий эти бактерии производят споры; процесс споруляции хорошо изучен. Схема процесса показана на этом слайде. В норме регуляторный белок σ ^F, образующийся в будущей споре, активизирует ген IIR. Это приводит к тому, что другой сигнальный белок, σ ^E, блокирует формирование второй септы на противоположном конце материнской клетки.

Авторы сконструировали 53 мутантных штамма. В геном бактерии вносились различные мутации, нарушающие нормальную экспрессию гена IIR. Этот ген необходим для того, чтобы формирующаяся спора могла передать в материнскую клетку сигнал, блокирующий формирование второй септы.

Хотя мутации были разные, фенотипический эффект у них оказался очень похожим. Во всех случаях произошла дестабилизация системы спорообразования. Вместо одного-единственного пути развития, который характерен для «диких» бактерий (образование одной споры в каждой клетке), бактерии-мутанты демонстрировали несколько разных вариантов развития, причем выбор того или иного варианта осуществлялся случайным образом. Генотип влиял только на вероятность, то есть частоту реализации каждого из них. Варианты были выявлены следующие:

1) Нормальная споруляция. В этом случае, несмотря на «вредную» мутацию, пытающуюся нарушить нормальный ход развития, белок σ ^E всё равно образуется в материнской клетке в нужное время и в достаточном количестве. Поэтому образование второй септы своевременно блокируется, и дальнейшее развитие идет так же, как у «диких» бактерий. Это можно считать проявлением помехоустойчивости онтогенеза, а можно назвать «неполной пенетрантностью» вредной мутации, что по сути одно и то же.
2) Неудачная попытка образовать сразу две споры в одной материнской клетке. Белок σ ^E вырабатывается в недостаточном количестве (или слишком поздно), и в результате вторая септа успевает сформироваться. Получается нежизнеспособная конструкция из двух незрелых спор, содержащих по хромосоме, а между ними — лишенная хромосомы материнская клетка. Это заканчивается гибелью всех троих.
3) Прерванная споруляция. Начавшийся процесс формирования споры прерывается, «зачаток» споры отмирает, а материнская клетка начинает расти. При этом в ней происходит репликация ДНК, то есть хромосома сначала удваивается, а потом иногда и утраивается. Такая клетка может затем перейти к обычному делению, а может «вспомнить», что собиралась заняться производством спор, и тогда начинается самое интересное: возникает вариант 4.
4) Споры-близнецы. Если в клетке, прервавшей споруляцию, произойдет утроение хромосомы, а потом споруляция возобновится, то получается материнская клетка с хромосомой, на концах которой образуются две жизнеспособные споры, тоже содержащие каждая по хромосоме. Эти споры в подходящих условиях нормально прорастают и вообще ничем не отличаются от нормальных спор.
5) Одиночная спора в диплоидной материнской клетке. Клетка с тремя хромосомами может произвести не две, а одну спору. В этом случае в материнской клетке остается две хромосомы. Спора при этом тоже получается нормальная, как и в варианте 4.

Таким образом, дестабилизация развития приводит к тому, что наряду с «нормой» (вариант 1) появляется четыре «морфоза», или альтернативных пути развития (варианты 2–5). Весь этот спектр морфозов проявляется в генетически однородных популяциях каждого из 53 мутантных штаммов. Мутантные бактерии с одинаковым геномом «выбирают» один из пяти путей развития случайным образом. От конкретной мутации — то есть от того, как именно нарушена работа гена IIR, — зависит лишь частота реализации этих путей.

Из четырех возникших морфозов один безусловно вреден (№2), два другие (№3 и №5) не создают ничего принципиально нового и вряд ли могут оказаться полезными — скорее всего, они приведут только к лишним тратам ресурсов, то есть окажутся неадаптивными.

Наиболее интересен морфоз №4 — образование жизнеспособных спор-близнецов. В принципе, такое изменение механизма споруляции может оказаться полезным — например, если условия среды очень нестабильны, обычный способ размножения реализовать трудно и удобнее размножаться спорами.

Если формирование спор-близнецов может быть полезным, то следует ожидать, что у каких-нибудь бактерий такой способ размножения закрепился и стал нормой. Это действительно так: у многих бактерий из группы клостридий «близнецовая споруляция» является нормальным способом размножения. Близнецовая споруляция у клостридий протекает практически так же, как у мутантных B. subtilis. Генные системы, управляющие споруляцией у клостридий и B. subtilis, гомологичны. Однако в природе у B. subtilis близнецовая споруляция не встречается.

Итак, дестабилизация онтогенеза привела к появлению морфоза (аномального пути развития), который потенциально может оказаться полезным. Но в исследованных штаммах этот путь развития реализуется лишь у небольшой части особей, то есть представляет собой редкую аномалию. Может ли он в дальнейшем зафиксироваться, то есть стать нормой?

Первопричиной этого морфоза, как и трех других, является изменение активности одного гена IIR. Однако вероятность выбора клеткой одного из возможных путей развития лишь на 15% определяется силой мутации (то есть тем, насколько изменилась экспрессия этого гена). Остальные 85% вариабельности клеток по этому признаку зависят от случайности. Регулируя только лишь экспрессию данного гена, невозможно добиться стабилизации этого потенциально полезного морфоза. Изменение экспрессии гена IIR не может отклонить путь развития в каком-то конкретном направлении, а может только дестабилизировать систему, то есть внести элемент хаоса в «программу развития».

Следовательно, для того, чтобы полезный морфоз зафиксировался (был закреплен в геноме, говоря языком сторонников эпигенетической теории), необходимы какие-то дополнительные мутации. Какие именно и существуют ли они в природе? Чтобы ответить на этот вопрос, авторам пришлось изучить взаимовлияние двух процессов, играющих ключевую роль в споруляции. Первый процесс — это репликация ДНК, в ходе которой в клетке увеличивается число хромосом; второй — образование септ.

Оказалось, что вероятность формирования спор-близнецов у бактерий с дестабилизированным онтогенезом зависит от комбинации двух факторов: скорости формирования септ и скорости репликации. Для успешного образования спор-близнецов нужно, чтобы в материнской клетке сначала образовалась дополнительная хромосома и только потом начала расти вторая септа. Если вторая септа образуется в материнской клетке с одной хромосомой, развитие пойдет по пути №2 и закончится гибелью. Если же вторая септа начнет образовываться в материнской клетке с двумя хромосомами, получатся споры-близнецы.

Оказалось, что можно увеличить вероятность образования спор-близнецов, повысив у мутантных бактерий темп репликации. Были испытаны две разные мутации, ускоряющие репликацию. В результате процент клеток, производящих споры-близнецы, вырос от долей процента до 30%, что сопоставимо с естественной частотой «близнецовой споруляции» у некоторых клостридий. Авторы также попробовали внести мутацию, ускоряющую репликацию, в геном «диких» B. subtilis, у которых ген IIR функционировал нормально. Это привело к тому, что у них иногда — в виде редкой аномалии — стали образовываться споры-близнецы.

Эти результаты показывают, что дестабилизация развития может существенно облегчать формирование новых адаптаций. Дестабилизация как бы «перекидывает мостик» от одного стабильного состояния к другому, что особенно ценно в том случае, когда этот переход нельзя осуществить за счет одной-единственной мутации («перепрыгнуть пропасть одним прыжком»).

Действительно, чтобы бактерии, практикующие одиночную споруляцию, начали систематически осуществлять близнецовую споруляцию, им недостаточно приобрести какую-то одну мутацию, которая сразу переведет их из одного устойчивого состояния в другое. Для этого нужны как минимум две мутации, одна из которых повысит темп образования септ (именно такой эффект дает изменение активности IIR), а другая увеличит скорость репликации, чтобы появление второй септы вело не к гибели, а к созданию двух жизнеспособных спор. Но две нужные мутации не могут появиться одновременно. Тут-то и приходит на помощь механизм дестабилизации онтогенеза. Первая мутация позволяет бактериям реализовать один из «скрытых» потенциальных путей развития — пусть и с очень низкой частотой. Если такой морфоз окажется выгодным (например, если в изменившихся условиях размножаться смогут только те клетки, которым удалось осуществить близнецовую споруляцию), это даст шанс дестабилизированной популяции продержаться некоторое время, пока у какой-нибудь бактерии не возникнет вторая мутация, повышающая скорость репликации. Это приведет к тому, что редкая, но полезная аномалия закрепится, то есть станет новой нормой. В эволюции клостридий такое, по-видимому, происходило много раз.

По-моему, данное исследование показывает реалистичность сценария, предлагаемого «эпигенетической теорией эволюции».

Если смотреть на новые признаки как на результат проявления «скрытых» путей развития, «предсуществующих» в системе индивидуального развития и определяемых структурой и внутренней логикой этой системы, то становится легче понять прогрессивную эволюцию. Наверное, можно показать (например, при помощи моделирования), что мутация, вмешивающаяся в развертывание сложной, устойчивой и саморегулирующейся программы развития, с большей вероятностью породит что-то новое и осмысленное, чем мутация, непосредственно и однозначно влияющая на конечный результат этого развития. Внеся случайное изменение в готовый осмысленный текст, мы почти наверняка его испортим. Но если у нас есть хорошая, «умная» программа генерации осмысленных текстов и мы вмешаемся в ее работу на каких-то относительно ранних этапах, то появится ненулевой шанс получить на выходе что-нибудь интересное.