Стресс — ускоритель эволюции

Стресс — ускоритель эволюции

Кандидат биологических наук В. В. Вельков 

Памяти Н.В. Тимофеева-Ресовского

1

Две силы есть, две роковые силы…

Ф.И. Тютчев

Роковые силы существуют не только в нашей повседневной, человеческой жизни, но и в природе. Собственно, первое — это отражение и следствие второго.

В своей последней статье, опубликованной в журнале „Природа“ (1980, № 9), наш выдающийся биолог Н.В. Тимофеев-Ресовский (1900-1981) две эти силы определил чётко и прямо: естественный отбор и конвариантная редупликация. Сложно? Да нет, сейчас мы во всем разберемся.

Под естественным отбором подразумевают следующее: преимущество в размножении (так называемое селективное преимущество) имеют те особи, которые наиболее приспособлены к конкретным (в полном смысле слова — сегодняшним) условиям внешней среды; это, согласно Тимофееву-Ресовскому, первый общебиологический принцип. А конвариантная редупликация есть процесс наследственной изменчивости: при размножении (точнее, при копировании генетической информации) возникают мутации — изменения структуры ДНК, или, попросту говоря, ошибки. И возникают они из-за того, что системы репликации ДНК не могут работать с абсолютной точностью. Это по Тимофееву-Ресовскому — второй общебиологический принцип. Что в итоге? Популяция вида всегда состоит из организмов, генетически не идентичных. Из этого разнообразия, благодаря силе естественного отбора, и получают наибольшие шансы те особи,которым дана возможность передать свои, сегодня „хорошие“, гены следующему поколению. „Плохие“ гены в данный исторический момент уходят в небытие. В общем, получается так, что эволюция основывается на случайных роковых или счастливых ошибках. И ещё: чем больше разнообразие внутри вида, тем больше шансов для его эволюции. И значит, для эволюции вообще. Для макроэволюции.

2

О сколько их на полях! 

Но каждый цветёт по-своему.

В этом высший подвиг цветка.

Басё

Да, есть сугубо общее, но и несомненно индивидуальное. И если о последнем, то выходит, каждый ли из нас „цветёт“ по-своему. Но в какой степени? Ну уж не в такой, наверное, чтобы родиться уродом, хотя таковые, что ж делать, изредка встречаются.

Если перевести эти вопросы на язык генетики, то они будут звучать так: какова нормальная, то есть обычная, степень генетического полиморфизма (многообразия) и каков её диапазон; какова скорость возникновения мутаций, приводящих к этому разнообразию? Интуитивно можно предположить, что чем больше происходит мутаций, тем выше разнообразие — значит, тем больше шансов на выигрыш для вида. И, выходит, кто чаще ошибается, тот и выигрывает. Это действительно так. Но только на первых порах.

Но сначала о том, какими бывают мутации. По эффекту влияния на организм их подразделяют на три типа: полезные мутации, нейтральные и вредные; последние или заметно ухудшают здоровье особи, медленно сживая её со света, или приканчивают сразу (это так называемые летальные мутации). И в общем виде можно сказать, что такая особь — обладатель вредной мутации — элиминируется отбором из популяции в череде поколений; если эта особь не успела размножиться, то она сразу уносит с собой в небытие и мутантный ген.

Но, несмотря на это последнее, сей зловредный ген появляется в природе снова, потому что процесс мутирования идёт постоянно. Сколько убыло, столько и прибудет в обозримом будущем (данный принцип равновесия между мутационным давлением и отбором сформулировал в 30-х годах XX столетия ещё один наш выдающийся генетик В.П. Эфроимсон).

Очень важный вопрос: какой должна быть скорость возникновения мутаций? Оказалось, что если популяцию бактерий, у которой скорость мутирования по каким-то генам повышена в 10 раз, непрерывно растить в хемостате в течение 2000 поколений вместе с популяцией нормальных клеток, то сначала (в течение 200 генераций) вариант с высокой скоростью мутаций доминирует. Именно он оказывается лучше приспособленным к данной среде. Но затем вариант с нормальной скоростью мутирования постепенно берёт верх, а быстро мутирующий вариант начинает расти всё медленней, и доля его клеток уменьшается. Как говорит украинская пословица: „Що занадто — то не добре“ („что чересчур — то не хорошо“; по понятным этнопсихологическим причинам, у русских аналогичной пословицы нет, зато есть другая, время цитирования которой ещё придёт).

Почему же чересчур высокая скорость возникновения мутаций — „то не добре“? На первых порах в некоторых клетках быстро мутирующей популяции образуются полезные мутации, благодаря чему такие клетки размножаются быстрее. Конечно, тут возникают и вредные мутации, но гибель клеток-неудачников сначала незаметна на фоне быстро растущей популяции. Однако проходит время, и из-за высокой скорости мутирования во всех клетках эти „неудачники“ накапливаются в таком количестве, что популяция клеток начинает расти медленее. Таким образом, скорость возникновения мутаций должна быть оптимальной: не слишком низкой, чтобы клетки могли эволюционировать, но и не слишком высокой, чтобы не накапливались вредные мутации. Эта оптимальная частота возникновения мутации составляет примерно от 1 до 10 на 10 млн. клеток (то есть если популяция клеток будет расти из одной клетки, то, когда число клеток достигнет 1-10 млн., среди них будет от 1 до 10 мутантных по какому-то гену клеток).

Но будет ли такая скорость мутагенеза действительно оптимальной для эволюции? Представим, например, ситуацию, когда требуется возникновение сразу двух мутаций в одной клетке (вероятность 1×1012) или трёх мутаций (вероятность 1×1018)? Понятно, что для этого число клеток в популяции должно быть 1018. А такой размер популяции даже для микробов — „це занадто“.

Так как же быть со случайной наследственной изменчивостью,скорости которой для эволюции может быть не достаточно? Как быть со вторым общебиологическим принципом (который для биологов то же, что для физиков второй закон термодинамики)? Опять ссылаемся на последнюю статью Тимофеева-Ресовского: „Мне кажется, что формулировка второго общебиологического принципа ещё недостаточно строга и совершенна“. И затем вопрос: „Какие условия, какие дополнительные воздействия будут направлять характер той прогрессивной эволюции, которая будет создаваться естественным отбором?“

Ответ пришел через двадцать лет. Это воздействие — стресс.

И теперь уточним: не просто стресс, а стресс, который замедляет жизнедеятельность организма. Именно такой, обрушившийся на популяцию стресс в критических ситуациях и приводит к резкому повышению её генетического разнообразия — следовательно, и к увеличению вероятности, что из-за множественных мутаций какой-то из организмов сможет преодолеть кризис и выйти из него „обновлённым“. При этом резкое повышение частоты возникновения мутаций происходит не потому, что механизмы, обеспечивающие точность репликации ДНК, при стрессе просто ослабевают, а потому, что включается специальный механизм мутагенеза, работающий только тогда, когда происходит остановка деления клеток.

3

Остановись, мгновенье! 

Ты прекрасно!

Гёте

В эти мгновенья всё и происходит. Хотя клетка не растёт, она тем не менее пребывает в жизнеспособном состоянии. То есть когда стрессовая ситуация (например, голодание) закончится, клетка возобновит свой рост. А если стрессу конца не видно? И неизвестно, что впереди? Что делать: ждать, медленно и необратимо теряя жизнеспособность? Можно и так. Назовём эту стратегию „рискованное ожидание“.

Но есть и другой вариант: не ждать в оцепенении, а попробовать измениться. И закрутить рулетку мутагенеза. Авось повезёт! Повезёт — если в клетке случайно возникнет мутация, одна или несколько, благодаря которым появится возможность преодолеть стрессовую ситуацию и начать деление. Впрочем, тут есть и своя закавыка. А если такая, именно полезная, мутация не возникнет? Вполне может быть. Тогда длительный мутагенез, да ещё идущий в неделящихся клетках и приводящий к резкому накоплению вредных мутаций, настолько повредит нормальные гены, что даже если условия среды вдруг и улучшатся, клетка рост не начнёт. В общем, риск. Поэтому такая стратегия — с рулеткой мутагенеза — и называется „рискованная изменчивость“.

Отсюда законный вопрос: что же для клетки в ситуации стресса лучше — ждать или рисковать? Как известно, на вопрос студентов Института красной профессуры, какой уклон хуже, правый или левый, тов. Сталин ответил: „Оба они — хуже“. И верно: обе рассмотренные выше стратегии поведения популяции клеток при стрессе действительно „хуже“. А если так, то поставьте себя на место эволюции и предложите нам третью стратегию, которая „лучше“. Получилось?

А вот что получилось у природы.

Если популяция микроорганизмов попадает в неблагоприятные условия среды (скажем, в среде нет ни одного из привычных субстратов — компонентов пищи), то клетки, естественно, прекращают рост и преобразуют свой обмен веществ так, чтобы, во-первых, наиболее безопасно пережить голод и, во-вторых, включить особый механизм, чтобы создать мутации, которые смогли бы адаптировать клетку к непривычному для неё субстрату, находящемуся в среде. Этот особый механизм был назван адаптивным мутагенезом.

Вот его суть. Как полагается, в таких неделящихся клетках идёт синтез ДНК. Но необычный: случайно, то в одном, то в другом месте генома, удаляется участок одной нити ДНК (для особо интересующихся: у бактерий кишечной палочки это происходит за счёт систем RecBCD, RecA и SOS-ответа), и на оставшейся нити, как на матрице, происходит синтез второй нити, но с мутациями! (Опять же для особо интересующихся: за счёт снижения активности системы репарации неправильно спаренных оснований, которая сокращённо называется MMR — от английского Mis Match Repair.) В итоге в одной из нитей какого-то участка ДНК накапливаются мутации. Такие мутации, с большой частотой возникающие в неделящихся клетках, были названы гипермутациями.

Что потом? Хотя поначалу клетка и не растёт, насыщенная мутациями одна нить гена начинает работать — происходят транскрипция и трансляция. И если в результате этого клетка начинает рост (становится способной поедать ранее несъедобный субстрат), то адаптивный мутагенез прекращается. Теперь в нём уже нет нужды. Система репарации неправильно спаренных оснований MMR восстанавливает свою активность, клетка растёт, и частота возникновения мутаций в ней становится опять нормальной, то есть низкой.

Ну а если мутаций, запускающих рост клетки, в данном гене не возникло? Может так быть? Запросто! И что тогда? Тогда адаптивный мутагенез начинается в другом случайном месте ДНК, и с помощью того же, представленного выше, механизма. Там возникает мутантный ген, и теперь уже он попробует запустить клеточный рост. Не получится — история повторится с третьим геном; если и тут не повезло, то с четвертым. Методом проб и ошибок. Где-то, да повезёт.

Ну, повезло. Однако и тут не всё просто: ведь в предыдущих трёх генах остались мутации, оказавшиеся бесполезными. А если они — вредные, а тем паче смертельные? То есть опять же риск. В общем, по обещанной выше русской пословице: „Или грудь в крестах, или голова в кустах“.

Короче говоря, очевидно, что нерастущая популяция, в которой происходят гипермутации, подвергает себя смертельному риску, ибо вероятность возникновения полезной мутации совершенно непредсказуема. А вот то, что все клетки погибнут от длительного накопления вредных мутаций, если адаптивный мутагенез не остановится, предсказуемо однозначно. Как быть?

4

…В прорыв идут штрафные батальоны.

В. Высоцкий

Оказывается, у нерастущей, но гипермутирующей популяции клеток могут быть ещё две стратегии выживания, или, если угодно, два сценария, по которым эволюция пытается ставить свои потрясающие детективы.

Первое. Прекратить адаптивный мутагенез, если за какое-то критическое время он не привёл к возобновлению клеточного роста. При этом многие клетки популяции сохранят жизнеспособность. И если условия среды вдруг изменятся к лучшему, то рост возобновится. Этот сценарий — „предусмотрительная осторожность“.

Сценарий номер два. При стрессе включить адаптивный мутагенез только у малой части клеток популяции; основная же её масса, покуда сохраняя жизнеспособность, должна неопределённо долго ждать, когда (а может, никогда?) внешние условия изменятся к лучшему. Сценарий — „смертельный риск героев“.

Так вот, удивительно или нет (да конечно же неудивительно!), но природа выбрала второй путь, второй сценарий: при стрессе гипермутации происходят только в субпопуляции, то есть в малой части нерастущих клеток. Поэтому полное название этого удивительного явления — „гипермутации в субпопуляции“ (и ещё раз для особо любопытных: см. „Genetics“, 1998, v.148, p.1559). И число этих „рисковых парней“, этих гипермутировавших героев, по одним оценкам, один на 10 000 клеток, по другим — один на миллион. Чем на молекулярном уровне они отличаются от молчаливого клеточного большинства благоразумных обывателей, пока не известно. Может, они самые сильные (ещё достаточно энергии и внутренних ресурсов, чтобы рискнуть), а может, напротив, наиболее ослабевшие, которым нечего терять. Но какими бы они ни были, будем помнить: именно эти герои, рискуя жизнью, идут в разведку новых путей эволюции, и если судьба не повернётся к ним спиной, то они смогут стать родоначальниками нового вида. Хотя за это Звезду героя вряд ли получат. Всё, как в штрафных батальонах.

Тут следует заметить как бы в скобках, что вообще-то открытие адаптивного мутагенеза, который включается, повторим, в условиях, когда организм не может запрограммированно (именно запрограммированно!) ответить на стрессовый вызов внешней среды и, как следствие, прекращает рост, — это весьма принципиальное уточнение самых фундаментальных принципов теории эволюции. Понимали ли это авторы данного открытия? Вам ничего не напоминает название статьи, где впервые описан адаптивный мутагенез: „Происхождение мутантов“ („Nature“, 1988, v.142, p.335; там же см. фамилии группы авторов)? Ну как же — конечно, напоминает: „Происхождение видов“. Эту — правда, не статью, а большую книжищу — написал некто Чарльз Дарвин! Не слабо, да? А ведь термина „мутация“ при Учителе ещё не было. И говорил Дарвин всего лишь (всего лишь!) о вариациях и вариабельности. О том, что они, варианты, возникают случайно и направлены в разные стороны. А о том, как изменения внешней среды влияют на частоту вариабельности, — не говорил. Но, похоже, молчаливо предполагал, что не влияют. Нет, гениальным был Учитель. Провидцем.

Так вот, действительно влияют. И теперь — уточнение второго общебиологического принципа, который конструировал (подглядывал у природы) Тимофеев-Ресовский.

Эволюция — это: 1) случайная генетическая изменчивость, 2) её расширение в неблагоприятных (стрессовых) условиях окружающей среды, 3) естественный отбор.

Всё? Нет, если про эволюцию, то это ещё не окончательная формулировка, потерпите.

Едем дальше. Изменчивость — это не только точечные мутации (замены, вставки или выпадения нуклеотидов), это ещё и перемещение мобильных (подвижных) генетических элементов внутри генома (IS-элементов и транспозонов). Считается, что такие „прыгающие“ гены — не что иное, как эгоистические молекулярные эндосимбионты, то есть внутриклеточные сожители. От клетки они получают возможность существовать — реплицироваться в составе её ДНК, а ей могут давать массу преимуществ, ибо кровно заинтересованы в том, чтобы клетка жила: понятно, если клетка умрёт, то они вместе с ней. Нормально? Конечно. И одно из преимуществ, которые клетке дают транспозоны, — это широкое разнообразие блочных перестроек генома, которые они могут стимулировать, а именно: удвоение и перемещение генов, рекомбинации (обмен генами между разными участками ДНК) и прочее, и прочее. Всё это — тоже генетическая изменчивость, но в её иерархически более высокой форме; если использовать образы, то тут изменяются не буквы в словах, как при точечных мутациях, а перемещаются слоги, и возникают совсем новые слова. И если они (точнее, их носители, организмы) уцелеют, когда естественный отбор лупит по головам кого ни попадя, а слабеньких в первую очередь, то вот вам и пропуск в обозримое будущее.

Ладно, от образов переходим к реалиям. А они таковы.

Оказалось, что стресс стимулирует перемещение мобильных генетических элементов, а тем самым — блочные перестройки генома. И самое интересное — как проходит эта стимуляция. Белок, который резко увеличивает частоту перемещений транспозона, называется шаперон HSP-70, синтез которого активируется при многих стрессах, в частности при тепловом шоке (отсюда и название: Heat Shock Protein — белок теплового шока, а 70 — потому, что массой он в 70 килодальтон). Основная задача этого белка, как полагали прежде, — предотвратить инактивацию (денатурацию) других белков при ухудшении физико-химических условий среды, в частности при повышении температуры более 40°С. Но совсем недавно обнаружили, что, помимо отмеченного, HSP-70 сильно ускоряет генетическую изменчивость „шокированных“ клеток, стимулируя в них перемещения транспозонов.

Сообразуясь с такими новыми данными, есть прямой смысл внести уточнение во второй постулат второго общебиологического принципа, который мы — казалось бы, окончательно — сформулировали чуть выше: в неблагоприятных (стрессовых) условиях окружающей среды происходит расширение генетической изменчивости, включающее — внимание! — повышение скорости перестроек генома.

Но и это тоже не всё. Есть ещё один способ расширения генетического разнообразия. Вы, наверное, уже догадались? Да, речь опять же о микроорганизмах.

5

Сафо, фиалкокудрая, чистая, 

С улыбкою нежной. 

Очень мне хочется

Сказать тебе кой-что тихонько. 

Только не смею, стыд мне мешает.

Алкей

Перенос генов существует не у всех микробов, а лишь у тех, которые обладают особыми, так называемыми конъюгативными плазмидами.

Поясним. Плазмида — это кольцевая двухнитевая ДНК, она реплицируется в цитоплазме (отсюда и название) отдельно от хромосомы, но как эндосимбионт пользуется многими веществами, которые для себя синтезирует клетка. Вне клеток плазмиды не живут, однако могут переходить из одной клетки, донорской, в другую, реципиентную. Хитрость в том, что, переходя в новую клетку, из старой они не уходят. Как? Да по принципу: зачем менять одну квартиру на другую? Лучше удвоиться и жить одновременно в обеих! Мудро.

Как это происходит? За счёт своих генов, обеспечивающих конъюгативный перенос, хитрая плазмида передаёт в другую клетку только одну нить своей ДНК. Тут уж по законам жанра (биологического, естественно) донорской клетке ничего не остаётся, как оставшуюся, осиротевшую нить плазмидной ДНК достраивать до двойной. И абсолютно то же самое происходит и в реципиентной клетке с новоприбывшей нитью. (Это называется, паразитировать на принципах устройства живой природы. Шутка.)

Таким образом, плазмида распространяется не только вертикально, по классическому сценарию (ибо при делении клеток обе дочерние клетки из поколения в поколение получают плазмиды) но и, как показано только что, горизонтально, то есть между разными микробными клетками, принадлежащими чаще всего к одному биологическому виду. Клетки, у которых есть конъюгативная плазмида, считаются мужскими, у которых нет — женскими. На экзамене по молекулярной генетике студентов обычно спрашивают, какой организм после скрещивания меняет свой пол? Ответ ясен.

Дальше все достаточно просто. Существуя только внутри клетки и только за её счет, плазмиды кровно заинтересованы в том, чтобы клетка жила, и поэтому реализуют достаточно цивилизованную эволюционно-экологическую стратегию: ты мне, я тебе. Ты мне — жизнь (репликацию, то есть размножение!), я — тебе преимущества в суровых условиях среды, а именно: устойчивость к антибиотикам, устойчивость к токсичным тяжёлым металлам, способность поедать необычную пищу (остатки нефтепродуктов или пестицидов) и другое. И действительно: многие плазмиды несут такие гены, которые обеспечивают клетке весьма ценные преимущества, особенно в напряжённых или стрессовых условиях, и без таких плазмидных генов клетки в суровом бытии гибнут.

Однако плазмиды не только помогают клеткам выжить, но и сильно стимулируют их эволюцию. Во-первых, транспозон может переместиться из хромосомы клетки в ДНК плазмиды, затем плазмида перейдёт в другую клетку, а с ней „автостопом“ и транспозон. В другой клетке этот транспозон может пересесть с плазмиды в клеточную хромосому и вызвать там блочные перестройки ДНК. Далее весь процесс, не исключено, повторится, но уже с третьей клеткой, а затем — с четвёртой, и — ищи ветра в поле!

Именно так транспозоны в основном и распространяются — на плазмидах горизонтально и попадают в те клетки, где раньше их не было, — например, в болезнетворные микробы. И тогда болезни, вызываемые этими последними, стандартными антибиотиками, уже не вылечить: микробы приобретают к ним устойчивость благодаря вселившимся туда плазмидам. Именно они и несут транспозоны с генами устойчивости к антибиотикам.

Следующий интимный момент — рекомбинация между плазмидой и хромосомой. Если между их генами есть большое сходство (гомология), то рекомбинация происходит, если нет гомологии, то не произойдет и рекомбинация. Последнее (отсутствие рекомбинации) называется межвидовым генетическим барьером. Он предотвращает образование межвидовых химер. У микроорганизмов его молекулярный механизм обеспечивает активность системы репарации неправильно спаренных оснований — MMR. Белки этой системы узнают участки, где нет сходства между ДНК плазмиды и клетки (области неспаренных оснований) и, связываясь с этими участками, препятствуют рекомбинации. А при стрессе, как уже говорилось, активность системы MMR падает. И в данном случае это ведёт к падению межвидовых генетических барьеров — стало быть, к интенсивному межвидовому генетическому переносу. То есть, ни много ни мало, к вспышке видообразования.

Это, уточним, при стрессе. Но предположим, он прошел и популяция (или субпопуляция) клеток выжила. Что тогда, учитывая всё вышеизложенное? Подытожим. Если клетки, пребывавшие в стрессе (то есть клетки, замедлившие рост, неделящиеся), в результате рекомбинаций и межвидового генетического переноса запускают рост, то у них: 1) восстанавливаются межвидовые генетические барьеры, 2) нормализуются механизмы генетической рекомбинации. Всё теперь в норме, а возник новый вид (новый вид микроба всего лишь, не пугайтесь!).

И потому вот как теперь выглядят основные постулаты эволюции микроорганизмов:

Эволюция — это: 1) случайная генетическая изменчивость, 2) её расширение в неблагоприятных условиях окружающей среды, включая повышение частоты перестроек генома и повышение частоты межвидового генетического переноса, 3) естественный отбор.

И в заключение. Как-то раз я рассказывал обо всех этих биологических (точнее, микробиологических) механизмах старшеклассникам Экологического лицея. И вдруг вижу, по щекам у Наташи текут слезы. „Наташа, — говорю, — отчего вы плачете?“ — „Микроб, он такой маленький, — отвечает, всхлипывая,— у него даже головы нет, а какие красивые механизмы придумал! Я бы в жизни не додумалась“.