Рождение сложности. Эволюционная биология сегодня: неожиданные открытия и новые вопросы - Александр Марков

—————

Вирусы-мутанты помогают друг другу в борьбе за выживание. Большинство вирусов, вызывающих болезни человека, — РНК-содержащие. Их наследственный материал хранится в форме РНК, а не ДНК, как у всех других форм жизни. Среди немногочисленных белков, закодированных в геноме таких вирусов, присутствует фермент РНК-зависимая РНК-полимераза, синтезирующий новые копии вирусной РНК (см. главу 1).

Популяции РНК-содержащих вирусов неоднородны: они состоят из целого набора генетически различающихся линий. Такие полиморфные популяции называют «квазивидами» — по аналогии с видами настоящих живых организмов, которые тоже всегда полиморфны. Процесс удвоения (репликации) вирусной РНК происходит с большим числом ошибок (мутаций), благодаря чему могут быстро возникать новые варианты вируса. У полиовируса — возбудителя полиомиелита — на каждый акт репликации приходится в среднем 1,9 мутаций. При этом, конечно, появляется много нежизнеспособных вариантов, однако эти потери оправданы. Высокая скорость мутирования помогает вирусам приспосабливаться к меняющимся условиям — к деятельности иммунной системы хозяина, новым лекарствам, переходам от одного хозяина к другому и из ткани в ткань.

Марко Виньюцци из Калифорнийского университета в Сан-Франциско (США) и его коллеги, изучающие полиовирусов, предположили, что дело здесь не ограничивается поиском оптимального для данной ситуации варианта генома методом «случайного попадания». Возможно, возникающие в пределах квазивида вариации могут помогать друг другу за счет разделения функций. Например, в одной линии может возникнуть мутация, повышающая скорость репликации вирусной РНК, в другой линии — другая мутация, повышающая, например, эффективность самосборки белковых молекул в вирусную оболочку — капсид. Поскольку обе линии живут и размножаются в одной и той же хозяйской клетке, они могут пользоваться «достижениями» друг друга. Эффективная РНК-полимераза первой линии будет размножать и геномы второй, а более эффективные капсидные белки второй линии будут «упаковывать» и РНК первой. Кстати, не исключено, что совместить обе эти мутации в одном и том же геноме просто невозможно. Вирусный геном очень мал, и у него не так уж много степеней свободы, то есть вариантов мутаций, совместимых с «жизнью» вируса. Бывает даже, что у двух разных генов имеется общий кусок, настолько вирусы экономны в отношении наследственного материала. В этом случае изменения в одном белке неизбежно будут приводить к изменениям в другом.

Возможность экспериментальной проверки гипотезы о взаимопомощи среди вирусов появилась благодаря тому, что Виньюцци и его коллегам удалось обнаружить и выделить мутантную форму полиовируса со «сверхточной» РНК-полимеразой, совершающей очень мало ошибок при копировании РНК. Эта мутация происходит из-за замены глицина (G) серином (S) в 64-й позиции РНК-полимеразы. В соответствии с этим мутация получила название G64S. Эта мутация ведет к тому, что вирусы начинают мутировать с аномально низкой частотой — 0,3 мутации на геном вместо положенных 1,9[82].

Первым делом ученые проверили, действительно ли скорость мутирования важна для приспособляемости вирусов. Это подтвердилось: вирусы G64S приспосабливались к неблагоприятным условиям (лекарствам, ингибиторам) гораздо медленнее своих «диких» собратьев. Кроме того, вирусы G64S оказались неспособны проникать в спинной и головной мозг зараженных мышей, как это делают нормальные полиовирусы с высокой скоростью мутирования. Однако искусственное увеличение темпа мутагенеза привело к тому, что вирусы G64S стали проникать в мозг и размножаться там. При этом полиморфизм вирусной популяции вырос, но мутация G64S сохранилась у всех линий.

Исследователи провели серию остроумных экспериментов, показывающих, что общая «эффективность» популяции вирусов зависит не от наличия в ней какой-то одной особо удачной линии, а от кооперативного взаимодействия нескольких разных линий, помогающих друг другу. Например, удалось показать, что вирусы G64S сами по себе не способны проникать в мозг, но успешно проникают туда в компании с другими вирусными популяциями — как «дикими», так и другими G64S, предварительно подвергавшимися действию искусственных стимуляторов мутагенеза. Следовательно, одни линии вирусов помогают другим преодолеть гематоэнцефалический барьер[83].

Эксперименты блестяще подтвердили гипотезу о взаимовыгодной кооперации между разнообразными мутантами, составляющими вирусную популяцию — квазивид. Это означает, что эволюционирующей единицей является не отдельная линия и тем более не один вирус, а весь квазивид в целом, причем внутреннее разнообразие — залог успеха. Одна линия, даже самая совершенная, всегда будет проигрывать полиморфному квазивиду, включающему несколько взаимодополняющих линий.

(Источник: Vignuzzi et al. Quasispecies diversity determines pathogenesis through cooperative interactions in a viral population // Nature. 2006. V. 439. P. 344–348.)

—————

Частота мутаций под контролем

Ярким примером того, как живые организмы регулируют скорость мутагенеза выгодным для себя образом, является имеющаяся у бактерий система «спасения утопающих» — SOS-response. Бактерия, как и любая живая клетка, не может «рассчитать», какое именно изменение генома ей в данный момент выгодно, и не может перекроить свои гены по заранее намеченному плану. Но иногда, когда условия жизни становятся невыносимыми, бывает выгодно увеличить частоту возникновения случайных мутаций во всем геноме или в отдельных его участках. И делать это бактерии умеют. Например, у кишечной палочки обнаружены так называемые SOS-гены, включающиеся в экстренных случаях. Один из них — ген dinB — кодирует склонную к ошибкам ДНК-полимеразу. В благоприятных условиях у бактерии включены гены обычных, редко ошибающихся ДНК-полимераз, и скорость мутирования остается низкой. Активизация гена dinB приводит к резкому увеличению частоты мутаций. В некоторых смертельно опасных ситуациях это может оказаться спасительным для гибнущей популяции микробов: вдруг какой-то из возникших мутантов окажется более жизнеспособным в данных условиях? Бактерии, таким образом, используют увеличение частоты мутирования как экстренную меру самосохранения. Молекулярные биологи уже научились ловко манипулировать этим свойством бактерий и активно используют его для создания различных экспериментальных генно-инженерных конструкций.

Бактерия Salmonella typhimurium

Недавно шведские ученые при помощи таких конструкций сумели доказать, что у бактерий имеются эффективные средства для уменьшения вреда, приносимого накапливающимися в геноме мутациями[84]. Исследователи задались вопросом: как меняется жизнеспособность организма в ходе накопления в геноме случайных мутаций? Для своего эксперимента ученые создали настоящее чудо генной инженерии — бактерию с регулируемой скоростью мутагенеза. Для этого они соединили ген dinB, кодирующий склонную к ошибкам ДНК-полимеразу, с промотором, который активируется сахаром арабинозой. Промотор — это регуляторный участок ДНК, который определяет, как и когда будет работать соседний с ним ген. Получившуюся конструкцию вставили в геном бактерии Salmonella typhimurium. Это дало возможность очень тонко регулировать скорость мутагенеза генно-модифицированной бактерии, просто меняя концентрацию арабинозы в среде. Чем больше арабинозы, тем активнее работает ген dinB и тем больше ошибок-мутаций происходит при репликации (копировании) молекулы ДНК.

Снижение жизнеспособности (вертикальная ось) по мере роста числа мутаций сначала идет быстро, а потом замедляется (черные точки). Наклонный пунктирный отрезок показывает, каким было бы снижение жизнеспособности без эффекта «взаимной нейтрализации».

Авторы показали, что мутации у модифицированной бактерии происходят более или менее случайным образом и распределяются равномерно по всему геному.

Жизнеспособность бактерий-мутантов оценивалась по скорости их размножения. Оказалось, что по мере накопления мутаций жизнеспособность сначала снижается быстро, но в дальнейшем, когда число мутаций переваливает за 3–5 десятков, снижение жизнеспособности резко замедляется.

Оказалось, что снижение вредоносности мутаций по мере роста их числа связано с деятельностью белков-шаперонов, обеспечивающих правильное сворачивание (укладку) белковых молекул. Повышение числа мутантных (и потому неправильно «свернутых») белков в клетке приводит к росту производства шаперонов, которым иногда удается помочь мутантному белку свернуться правильно. Таким образом, живая клетка в некоторых случаях способна не только регулировать скорость мутирования своего генома, но и эффективно справляться с вредоносным действием возникших мутаций.