Цифровой журнал «Компьютерра» № 206 - Коллектив Авторов

Итак, цитоплазма (основное содержимое) и ядро клеток животных образовалось из предковой архебактерии, а митохондрии — из предковой альфапротеобактерии (представителя той же группы эубактерий, к которой относится, например, упомянутая в прошлой колонке вольбахия — внутриклеточный паразит/симбионт членистоногих, способная вызывать паразитарно индуцированный партеногенез). Часть генов, принадлежащая предку митохондрии, переместилась из митохондрии в ядро. Вас удивляет, как такое могло произойти?

Очень просто. Митохондрия (как и любой другой внутриклеточный симбионт) может погибнуть и разрушиться. Её ДНК высвободится в цитоплазму клетки-хозяина и, после ряда путешествий, может встроиться в хозяйскую ДНК. Есть вероятность, что ядро начнёт производить те белки, которые раньше митохондрия собирала для себя сама. Получая эти белки от клетки-хозяина, митохондрия повысит эффективность своей работы, и такое изменение может быть поддержано отбором. Однако теперь отбор перестанет поддерживать работоспособность исходного гена в самой митохондрии. Со временем в митохондрии этот ген дегенерирует и исчезнет, а в ядре останется его работоспособная копия.

Как наши алгоритмы реконструируют предысторию такой химерной клетки? Исследуя исконно ядерные гены, они сблизят такую гибридную клетку с родственниками её цитоплазмы и ядра (в рассматриваемом нами примере — с архебактериями, как и показано на схеме). Исследуя митохондриальные по происхождению гены, эти алгоритмы найдут её ближайших родственников среди альфапротеобактерий. Сетчатый характер филогенеза не может быть отражён в структуре ветвящегося дерева, а типичные алгоритмы реконструкции филогенеза умеют строить только такие деревья!

Реконструкция филогении прокариот ещё сложнее, ведь их гены «гуляют» от группы к группе в результате горизонтального переноса (передачи между неродственными организмами; «вертикальной» считается передача от предков к потомкам). Наши инструменты для реконструкции филогении оказываются неадекватными для реконструкции таких отношений. Надо разрабатывать новые — и тогда уже строить что-то вроде схем, показанных ниже.

Слева — наполовину условная «сетчатая» схема, показывающая отношения между тремя надцарствами (источник). В основании схемы — сеть, которая стала результатом многочисленных горизонтальных переносов. Справа — «кольцевая» схема эволюции основных групп бактерий (источник). Самая разнообразная группа, грамотрицательные (к которой, кроме прочих, относятся предки митохондрий и хлоропластов), рассматривается здесь как результат симбиоза двух других групп, актинобактерий и клостридий.

А как же LUCA, «последний общий предок», показанный на первой схеме? Я согласен с теми, кто считает, что LUCA был не отдельным видом, а сложным сообществом, члены которого обменивались генами как им заблагорассудится.

Знаете, зачем я рассказывал вам о реконструкции филогении прокариот? Чтобы убедить вас: прокариоты преуспели в рекомбинации, образовании новых сочетаний генетической информации. Выделяют различные типы рекомбинаций (если хотите разобраться подробнее — очень рекомендую эту и эту статьи). Из них для нашего дальнейшего разговора интереснее всего гомологичная рекомбинация.

Представьте себе клетку кишечной палочки, лучше всего изученной бактерии, которая получила фрагмент чужой ДНК. В цитоплазме этих бактерий может находиться плазмида, небольшая кольцевая молекула ДНК, которая называется F-фактором. Обладающая F-фактором бактерия способна выращивать пиль (что-то вроде трубопровода) и закачивать по нему, во-первых, копию F-фактора, и, во-вторых, скопированные фрагменты бактериальной хромосомы.

Знаете, что делают эти три кишечные палочки, Escherichia coli? Они обмениваются фрагментами своей ДНК с помощью пилей, напоминающих иглу шприца конструкций (источник).

Клетка-донор может использовать чужие фрагменты ДНК для гомологичной рекомбинации. При этом она устанавливает соответствие между полученным фрагментом ДНК и собственной ДНК клетки. Специальная белковая система клетки-донора заменяет имевшийся генетический текст на полученный.

Важной особенностью гомологичной рекомбинации является то, что новый генетический текст встраивается не куда попало, а именно в то место на бактериальной хромосоме, где находилась его «родная» версия. Новые гены попадают при этом на те участки, где находятся системы, управляющие их активностью.

В гомологичной рекомбинации у бактерий можно видеть один из этапов становления той формы гомологичной рекомбинации, которая характерна для эукариот. Я говорю о половом размножении.

Строго говоря, половой процесс совсем не обязательно связан с размножением. И у кишечной палочки, и, к примеру, у инфузорий (эукариотических организмов) половой процесс протекает сам по себе, а размножение — вроде бы само по себе. Но всё-таки самым характерным для эукариот оказывается Когда-тогапло-диплоидный жизненный цикл с оплодотворением и мейозом. Надо объяснять. я это уже делал, но сейчас повторю ещё раз, иначе (можете для лучшей понятности сравнить два объяснения).

Начнём вот с чего. В зависимости от количества комплектов генетической информации (хромосомных наборов), содержащихся в ядре, эукариотические клетки делятся на гаплоидные (один комплект), диплоидные (два хромосомных набора) и ещё целый ряд иных типов, которые для нас сейчас не важны. Есть два главных типа деления клеток эукариот. При митозе количество генетической информации не изменяется, образуется две клетки, генетически идентичные и друг другу, и материнской клетке. При мейозе (который, по сути, состоит из двух делений, напоминающих митоз, но не предусматривающих удвоение генетической информации между ними) получается четыре клетки со вдвое уменьшенным количеством генетической информации. Все эти клетки генетически уникальны, потому что между гомологичными парами хромосом происходит гомологичная рекомбинация.

Сравнение двух основных типов деления эукариотических клеток.

Если мейоз снижает количество хромосом вдвое, то в жизненном цикле, где он есть, должно происходить что-то, компенсирующее их нормальное количество. Это оплодотворение, слияние двух клеток, которое состоит из двух этапов — сингамии (слияния цитоплазм) и кариогамии (слияния ядер).

Пример гапло-диплоидного жизненного цикла с оплодотворением и мейозом. Могло ли столь сложное изобретение независимо возникать в ходе эволюции жизни много раз, в разных группах?

На нарисованной мной схеме митозы показаны только на диплоидной фазе, как это обычно бывает у высокоорганизованных животных, и людей в том числе. Это не единственное решение. Есть виды, у которых митозы и рост организма происходят на гаплоидной фазе, а диплоидная оказывается совсем короткой (сразу после оплодотворения зигота делится с помощью мейоза). У большинства растений рост происходит на обоих фазах. У мхов преобладает гаплоидная фаза, а, к примеру, у цветковых — диплоидная.

Теперь понятно? И, конечно, самое интересное, как у высокоорганизованных эукариот мог возникнуть такой сложный жизненный цикл. Его разные этапы возникали по отдельности, и до сих пор по отдельности наблюдаются у некоторых протистов и грибов. Свои (весьма непростые) механизмы обеспечивают у некоторых эукариот сингамию (например, срастание отдельных грибных нитей). Известно немало многоядерных эукариот; у некоторых из них отмечена кариогамия. Как я уже говорил, мейоз включает высокоорганизованный механизм гомологичной рекомбинации, более простые формы которой возникли ещё у прокариот. Есть весомые основания предполагать, что мейоз эволюционировал как форма восстановления, починки (репарации) генетического аппарата клетки — и лишь потом стал неотъемлемым этапом гаплоидно-диплоидного жизненного цикла.

Целый ряд авторитетов предполагает, что гаплоидно-диплоидный жизненный цикл с оплодотворением и мейозом возникал в ходе эволюции неоднократно! Об этом свидетельствует то, что интимные молекулярные механизмы, обеспечивающие эти существенные перестройки клеток, у разных групп оказываются разными. Дополнительным обстоятельством, поддерживающим это предположение, оказывается распространение сингамии, кариогамии и мейоза у различных групп протистов: во многих их типах эти феномены зарегистрированы у продвинутых представителей и отсутствуют у примитивных. Если это так, мы убеждаемся, что переход к такому жизненному циклу — закономерное событие в эволюции многих групп эукариот.