Как попасть в эволюционный «экспресс»
Чтобы вернуть себе подвижность, которой их лишили, бактерии воспользовались генами, которые до сих пор использовали для совсем других вещей.
В эволюционной теории есть несколько больших вопросов, которые до сих пор вызывают споры. Например, как происходят крупные эволюционные изменения: постепенно, за счёт небольших шагов – или же быстро, большим прыжком? Эта проблема касается как появления сложных структур, так и видообразования: есть ли какие-то промежуточные формы у сложного органа, есть ли плавный переход к новому виду, или же масштабные изменения могут происходить разом и быстро? Другой вопрос касается предсказуемости эволюции: можно ли узнать, в каком направлении будет развиваться вид? Считается, что путь развития определяется случайно, и не обязательно конечный результат будет оптимальным – то есть организм не обязательно приобретёт самую удачную адаптацию.
Работа исследователей из Университета Рединга во многом отвечает на оба вопроса. Эксперимент, который лёг в основу всего исследования, получился случайно, в результате небрежности: первоначальной целью было посмотреть, как на почвенных бактерий Pseudomonas fluorescens повлияет мутация, лишающая их жгутиков. P. fluorescens могут жить как в воде, так и в почве, где они вступают в симбиоз с корнями растений, стимулируя их рост и защищая от патогенов. Формирование жгутиков, с помощью которых бактерии перемещаются, происходит у них благодаря нескольким генам, среди которых есть один, называемый fleQ. Он кодирует транскрипционный фактор – белок, необходимый для активности всех прочих жгутиковых генов. Бактерии, лишённые fleQ, должны были перестать двигаться, что должно было сказаться на их способности колонизировать корни.
Однако «увечных» бактерий оставили в питательной среде дольше, чем предполагалось – и, когда на них снова посмотрели, оказалось, что P. fluorescens плавают, как ни в чём не бывало. Более того, как пишут авторы работы в Science, подвижность обрели не один, а сразу несколько экспериментальных штаммов: все они начинали плавать сначала медленно, а потом всё быстрее. И молекулярно-генетические изменения у них были схожие. Сравнив геномы пока ещё «медленных» бактерий и тех, кто уже научился плавать быстро, Роберт Джексон (Robert Jackson) и его коллеги увидели, что у первых накапливаются мутации в участках ДНК, которые прямо или косвенно стимулируют синтез белка NtrC, тогда как у «быстрых» штаммов мутации были уже непосредственно в гене NtrC.
Ген NtrC участвует в регуляции азотного обмена. Почему же мутации в нём оказались нужны в связи с отсутствующими жгутиками? Потому что у белка NtrC и белка FleQ – транскрипционного фактора, управляющего «жгутиковыми» генами – аминокислотные последовательности похожи на 30%. В силу сходства оба они в какой-то степени могли бы выполнять функции друг друга. Действительно, если уровень «азотного» белка NtrC в результате мутаций возрастал, на это немного отзывались гены жгутикового блока. Если же мутация попадала в сам NtrC, она могла повысить его сродство к последовательностям ДНК, которые служили включателями для FleQ-регулируемых генов – и к бактериям возвращались утраченные жгутики. Правда, в результате страдала регуляция азотного обмена, которой исходно занимался NtrC, однако, по-видимому, преимущества подвижной жизни того стоили. (Следует также заметить, что в таких случаях на помощь часто приходит удвоение гена: если у того же NtrC появится копия, то один из вариантов может заниматься азотным обменом, а другой – жгутиками.)
Как видим, здесь у нас без всяких промежуточных форм произошло крупное морфологическое изменение, причём разные штаммы воспользовались одним и тем же способом, чтобы вернуть способность двигаться – то есть эволюция отчасти продемонстрировала предсказуемость, воспользовавшись несколько раз одним и тем же решением. Причём весь процесс занял всего четыре дня. Однако стоит только внимательней рассмотреть молекулярно-генетическую составляющую морфологического скачка, чтобы понять, что чего-то иного ждать, наверно, и не стоило: все составляющие для образования жгутиков у бактерий уже были, требовалось лишь найти нового генетического «менеджера», а наиболее вероятной кандидатурой среди генов оказался тот, кому проще всего было сменить «поле деятельности». Учитывая скорость размножения бактерий, не стоит удивляться, что на «управленческую революцию» у них ушло так мало времени. Кроме того, они находились под мощным давлением среды: подвижность для бактерий была слишком важной особенностью, чтобы с этим можно было тянуть время. Иными словами, текущие условия обитания сильно благоприятствовали отбору именно тех мутаций, которые бы могли вернуть жгутики на место.
Конечно, можно сказать, что ситуация была искусственной, у бактерий-де специально вырезали ген-регулятор, а другие гены, необходимые для жгутиков, у бактерий уже были собраны. Но, с одной стороны, ген вполне мог стать нерабочим в результате какой-нибудь мутации, с другой стороны, большие эволюционные скачки могут получаться за счёт того, что уже имеющиеся гены начинают работать в другое время и в другой последовательности – что, в свою очередь, можно обеспечить не слишком крупными управленческими модификациями.
С общебиологической точки зрения полученные результаты иллюстрируют некоторые рассуждения в теории эволюции, которые до сих пор опирались лишь на догадки, либо на очень косвенные данные. Ну, а если кто-то захочет, чтобы ему предъявили более очевидную практическую пользу из таких вот эволюционных экспериментов, то здесь можно вспомнить про инфекционные болезни и про раковые клетки. И те, и другие со временем становятся устойчивы к лекарствам – поэтому, чем больше мы будем знать о путях эволюции, тем скорее, возможно, сможем окончательно избавиться как от устойчивых инфекций, так и от устойчивых опухолей.
