НАУКА: Заразные гены, или Горизонтальный поворот: Днк можно получить не только от родителей

НАУКА: Заразные гены, или Горизонтальный поворот: Днк можно получить не только от родителей

Автор: Дмитрий Шабанов

Журнал «Nature» публикует не только статьи о состоявшихся достижениях, но и эссе, авторы которых пытаются нащупать дальнейшие пути развития науки. Одно из последних принадлежит Нигелю Гольденфельду и Карлу Вёзе (Nigel Goldenfeld, Carl Woese), американским ученым, которые прочат очередную революцию в биологии. С их точки зрения, новые данные об обмене генетической информацией между представителями разных видов организмов вызовут в биологии смену парадигмы.

ЦИТАТА

С. Н. Виноградский, Лекция перед

императорской фамилией 8 декабря 1896 года

Речь идет о горизонтальном переносе генов — передаче наследственной информации от организма к организму вне генеалогической (вертикальной, от предков к потомкам) последовательности. Сам феномен известен давно: так, например, передаются гены устойчивости к антибиотикам от одних болезнетворных микроорганизмов к другим. Много лет на него смотрели как на некую оплошность природы. Энтузиасты надеялись объяснить с его помощью феномен эволюции, прагматики искали в нем естественные технологии генетической инженерии… Лишь недавняя лавина молекулярно-биологических данных позволила понять, насколько это явление распространено в природе.

Десятилетиями в микробиологии торжествовал принцип, возведенный в догму Робертом Кохом: изучаемый микроорганизм нужно вырастить в чистой культуре. Зачастую для культивирования используются потомки одной-единственной бактериальной клетки. Выращиваемые в таких условиях микроорганизмы оказываются одинаковыми, что считается критерием их правильного выделения. Увы, такие условия совершенно противоестественны! Естественным является именно функционирование микроорганизмов в сложной среде, информационный обмен с которой включает передачу фрагментов ДНК.

В таких условиях для двух основных групп «микробов» — бактерий и архей (или архебактерий) — вообще трудно говорить о видоспецифичном геноме (наборе наследственной информации). Благодаря горизонтальному переносу этот геном постоянно пополняется новыми фрагментами, а благодаря собственной эволюции теряет многое из приобретенного. Проследив генеалогию какого-нибудь микроорганизма, мы увидим, что через него течет «река» разнородной по происхождению генетической информации. В этом потоке отражается вся биосфера!

Как регистрируют горизонтальный перенос генетической информации? Иногда удается увидеть исходный текст у одного организма и его копию у другого. Чаще, однако, приходится использовать косвенные данные — вычленять участки ДНК, которые отличаются по соотношениям разных пар нуклеотидов или по частоте использования разных триплетов для кодирования одних и тех же аминокислот (эти признаки, в общем, видоспецифичны). Найдя в чьем-то геноме кусок текста, отличающийся от окружения по частоте «букв» (нуклеотидов) или «слов» (триплетов), мы можем предположить, что имеем дело с заимствованием. Со временем хозяин откорректирует текст, приведя его в соответствие с «собственным стилем».

Итак, работа современных генных инженеров, создающих генетически модифицированные организмы и тем самым порождающих волну протестов и «страшилок», оказывается для земной биосферы обыденным делом [Заодно, правда, теряет правдоподобие один из аргументов, которым генные инженеры пытаются успокоить страхи растревоженного общества — что «чужие гены» никак не могут расползтись по биосфере. Оказывается, не все так очевидно. Впрочем, вставки в геномы модифицированных организмов тоже являются продуктами развития биосферы, как и «родные» гены культурных растений].

Что самое интересное, горизонтальный перенос свойствен не только микроорганизмам. Например, проведенные недавно учеными из Беркли исследования геномов риса и проса (злаков, которые разделяет не менее 30 млн. лет независимой эволюции) показало, что между этими видами происходил горизонтальный перенос генетической информации. В этих растениях найдены практически идентичные транспозоны — участки ДНК, способные перемещаться внутри геномов и между ними с места на место! Чаще всего транспозоны переносят информацию внутри вида, но могут и перешагнуть видовой барьер, ведь грань между транспозонами и вирусами весьма условна. С активностью преобразованных транспозонов может быть связана реорганизация генома, которая происходит при видообразовании.

Горячие головы видят в горизонтальном переносе объяснение прогрессивной эволюции. Вот так появляются новые признаки: подует ветер, принесет вирус с куском новой информации, и — глядь! — у организма появилось новое полезное свойство. Так, выдающийся палеоботаник В. А. Красилов считает, что в эпоху происхождения цветковых растений именно вирусы разносили от одних голосеменных к другим «блоки» генетической информации, ответственные за формирование цветка. Увы, в это поверить нелегко. Дело в том, что конструкция любого организма — нелегкий компромисс между модульностью и монолитностью. Любое из населяющих Землю существ — одновременно и целостная система, и конгломерат относительно независимых признаков. Теми из свойств организма, которые связаны со всеми остальными в тугой узел взаимосвязей, невозможно заразиться «от ветру». Именно поэтому роль горизонтального переноса в эволюции высокоорганизованных и высокоинтегрированных групп снижается. Может, когда-нибудь у генных инженеров дойдут руки проверить идею Красилова и они перенесут «гены формирования цветов» в геномы сосен, гинкго или саговников? Скорее всего, инородные фрагменты не смогут встроиться в систему управления развитием растения, для которого характерен иной способ размножения.

Даже когда крупное новшество у высокоинтегрированных животных оказывается связано с каким-то продуктом горизонтального переноса, его не следует считать прямым следствием захвата чужеродной информации. Приведем один пример. У млекопитающих развитие плаценты (органа, обеспечивающего физиологическую связь зародыша и матери) требует, кроме прочего, работы гена Peg10. Этот ген чрезвычайно сходен с одним из широко распространенных транспозонов. Такой факт можно интерпретировать двояко. Наивный человек, убежденный, что всякий признак — проекция определенного гена, сделает вывод, что появление плацентарных млекопитающих (и в конечном счете нас с вами) — следствие «заражения» «геном плаценты». Отсюда недалеко до веры в генетического Демиурга, который управляет эволюцией, время от времени запуская в оборот новые вирусы и очередные прогрессивные качества.

Более зрелой представляется иная трактовка. Новые функции, вырабатываемые в ходе эволюции, могут связываться не только со старыми участками генетического текста, которые выполняют собственные задачи, а с новыми, свободными. Эти новые гены могут как раз оказываться занесенными со стороны кусками. Так опытный шофер, ремонтируя сломавшуюся в дороге машину, может сделать требующуюся деталь из какого-нибудь найденного на обочине обломка. Функция этого обломка в отремонтированной конструкции не содержалась в нем исходно — она возникла вследствие его определенного положения в новой системе. Такая трактовка подтверждается тем, что находящийся в тесном родстве с «геном плаценты» транспозон в любом ином месте и окружении вовсе не вызывает формирования чего-то подобного.

Наоборот, горизонтальный перенос служит не двигателем, а скорее тормозом эволюции! Существа, которые приобрели относительно изолированный геном, морфологически, физиологически, поведенчески эволюционируют намного быстрее, чем плотно вплетенные в единую сеть биосферы микроорганизмы. Эволюция направлена от континуума геномных возможностей к отдельным генотипам. Почему же биологи поняли это так поздно? Тому есть несколько причин. Во-первых, биология должна была достичь технического уровня, позволяющего зарегистрировать сам факт разнообразия путей передачи наследственной информации. Во-вторых, изучение надорганизменных систем психологически затруднительно для исследователей, которые сами являются организмами (см. врезку). В-третьих, распространению нового понимания препятствует трактовка организма как воплощения (реализации) генетической программы.

Метафора наследственной информации как программы настолько въелась в сознание современных биологов и небиологов, что многим из них попросту трудно ее осознать. А что же такое организм, как не воплощение хранящегося в его генах плана? То, что использует эти гены! Наследственная информация — не истинная суть организма, а используемая им библиотека. На протяжении большей части истории жизни эта библиотека была общей для самых разных существ, и лишь потом некоторые из них завели себе изолированные «книжные шкафы».

Когда речь идет о людях или наших ближайших родственниках, высших животных, мы имеем дело с относительно изолированными видами. Каждый из них характеризуется определенной общностью генетической программы, занимая определенное место в экосистемах. Дискретность бактерий и архей носит иную природу. Она скорее связана с дискретностью возможных образов жизни, экологических ниш.

Итак, есть все основания согласиться с авторами эссе в «Nature». Мы стоим на пороге нового понимания жизни вокруг нас. Понятия организма, вида, генома, наследственной информации нуждаются в серьезном уточнении. В то же время не следует считать такой подход совсем уж новым. Это его нащупывал в своем «Космосе» Александр фон Гумбольдт, высказывал в лекции перед царской семьей Сергей Николаевич Виноградский, воплощал в теории Геи Джеймс Лавлок, пытается под именем «природоведческой микробиологии» развивать академик РАН Георгий Александрович Заварзин… Но в любом случае, развитие биологии подарит нам еще немало неожиданностей.

Как объять необъятное

Мы сами являемся организмами и окружающие нас другие системы воспринимаем по аналогии с самими собой. Как ни естествен для нас такой подход, он не единственно возможный…

Позапрошлой весной автор этих строк оказался во время нереста остромордых лягушек возле небольшого нерестового водоема — пруда среди заросших дубами холмов. Были сумерки — «час меж собакой и волком». На мелководье собралось несколько тысяч самцов лягушек. В это время они преображаются благодаря ярко-голубой брачной окраске. Песня самца остромордой лягушки похожа на клокотание кипящей крупными пузырями воды. Многоголосый хор нескольких тысяч самцов сливался в невероятный гул. Этот объединенный голос тысяч особей разносился по окрестным холмам, созывая неторопливых, разбухших от икры самок…

Подходя к нерестовому котлу, самка находит себе самца и вместе с ним отметывает свою порцию икры. Те самки, которые прибывают позже других, вынуждены нереститься на сплошном поле из кладок. Часть их икринок оказывается оплодотворена молоками не «своего» самца, а других — тех, что были отцами соседних кладок. Пройдет немного времени — и из икринок выйдут головастики, ферменты вылупления которых превратят в жидкость слизистые икряные оболочки. Даже если за время их развития уровень воды в весеннем пруду упадет, разжиженная икра стечет под уклон к отступившей воде. Ну и пусть десятки тысяч особей (а головастик, как и икринка, — это особи!) обсохнут на окраинах пруда — сотни тысяч попадут в воду, где продолжат развиваться. По мере роста они будут обмениваться разнообразными химическими и физическими сигналами. При необходимости те из головастиков, которые опередят прочих, притормозят рост отстающих, чтобы снизить конкуренцию за недостающие ресурсы. В иных случаях, наоборот, рост разновозрастных и неродственных личинок окажется синхронизирован — популяция сама выберет стратегию своего оптимального развития.

Так вот, сумерки, пение лягушек и усталость сместили восприятие подошедшего к нерестовому котлу человека. Он почувствовал, что стоит не перед определенным числом организмов, а перед сущностью более высокого порядка — популяцией. Потенциально бессмертный живой объект находился на одном из ключевых этапов своего годичного цикла. Производство новых особей оправдает потери существующих, ведь только через их поток и смену и осуществляется бытие популяции. Казалось бы, человек не может быть замечен этой сущностью — он ведь находится на более низком уровне бытия, чем она. Тем не менее, когда завороженный человек приблизился к одному из нерестовых котлов, поющие лягушки испугались, замолчали и торопливо попрятались на дне. Голос популяции изменился: она заметила чужака и отреагировала на его присутствие…

Вы скажете, такой опыт переживания контакта с сущностью более высокого порядка относится к сфере интересов психиатра, а не биолога? Вы, конечно, правы. Но, поверите ли, такой опыт очень помогает представить себе популяцию единым целым, а не совокупностью отдельных особей… А вы лучше попытайтесь вообразить всепланетную общность живых организмов, связанную горизонтальным переносом генетической информации, как популяция лягушек связана совместным размножением! Удобно ли описывать и изучать эту общность, пользуясь традиционными понятиями и расхожими мыслительными штампами? Новым задачам должен соответствовать и новый способ мышления!