Древнейшие обнаруженные доныне останки многоклеточных эукариот – эдиакарская сферическая биота из формации Доушаньто (600 млн лет назад), идоэдиакарская лентовидная хайнаньская биота (750 млн лет назад) имеют достаточные признаки клеточной дифференцировки и специализации, морфологического (то есть внешне различимого) разделения соматической и зародышевых клеточных линий (см. ниже), структур межклеточной адгезии, общей ригидной оболочки и наличия необходимого для всего этого механизма программируемой клеточной смерти – апоптоза (Chen Let al., 2014; Xiao Set al., 2015, Dong Let al., 2007). То есть древнейшие известные многоклеточные многоядерные эукариоты имели уже практически весь необходимый инструментарий многоклеточности, что напоминает такое же стремительное возникновение эукариот – «все и сразу», как Афина из головы Зевса. Интересно и исключительно важно, что ископаемые остатки эукариот, как правило, обнаруживаются в плотном окружении бактерий – то ли их возможных симбионтов, то ли потенциальных паразитов (Raff E. Cet al., 2008), включая обнаружение бактерий в их внутренних, «пищеварительных», пространствах (Knoll A. H., 2014). Нельзя исключать, однако, это всего лишь наблюдаемый феномен, обеспечивший сохранность эукариотических останков.
Формирование особого эукариотического генетического аппарата
Возникновение клеточного ядра впервые создало уникальную эволюционную ситуацию: горизонтальный перенос генов – основной двигатель изменчивости вирусов и прокариот, то есть всего биологического до этого, – во вновь созданную эукариотическую клетку практически прекратился, свежевыкрашенные двери нового кафедрального собора в достроенном эукариотическом замке прикрылись (но не захлопнулись).
К этому времени незащищенная ДНК архейного предка эукариот успела перенасытиться вставками ДНК постоянных и перемежаюшихся эндо- (а возможно, и плотных экзо-) симбионтов. Одно из принципиальных отличий в устройстве генетического материала прокариотической клетки в отличие от эукариотической – это плотность белок-кодирующих последовательностей (генов), работающих по модели оперона[6], и практически не прерывающимися длинными некодирующими, «бессмысленными» вставками.
Некоторым, но не единственным исключением служат вставки в виде так называемых самосплайсирующихся (самовырезающихся) интронов группы II – генетические элементы, способные «перепрыгивать» по геномам некоторых прокариот и остаточным геномам митохондрий. У эукариот кодирующие части одного гена (экзоны) разделены длинными некодирующими вставками (интронами), а совместно функционирующие гены могут быть вообще пространственно очень сильно разобщены. «Обычные» эндопаразиты губили архейную клетку если не «быстрой пыткой», попросту «съедая» ее, то «пыткой медленной» – случайными вставками своих генов в чувствительные участки архейного генома (которые, в силу сравнительной плотности упаковки генов, оказывались почти везде). «Правильные» эндосимбионты, оставаясь беспощадными в «медленной пытке», давали архее шанс на выживание. Они, избавив от «пытки быстрой», предоставили ей метаболические и, главное, энергетические выгоды, а также защиту от остальных «неправильных» эндопаразитов. Возникающее противоречие – помогая метаболически, убивать генетически – давало не столько шанс отдельной клетке, сколько популяции – через ускорение совершенствования все более сложных взаимоотношений вплоть до практически полного разрешения противоречия путем постепенного смягчения (затупления) острых инструментов «медленной пытки».
Например, упомянутые самосплайсирующиеся интроны группы II обладают способностью вырезать самих себя как РНК-рибозимы из РНК-транскриптов содержащих их генов, затем самопереписываться в ДНК, действуя как обратные транскриптазы, и снова вставляться в новые места на ДНК хозяина. Большая часть бактерий не несет в себе таких «подарков», но часть, включая альфа-протеобактерии, может иметь десятки таких вставок. Как установлено к настоящему времени, именно самосплайсирующиеся интроны группы II являются предками сплайсосомных интронов эукариотических клеток (Tooret al., 2008; Keatinget al., 2010), то есть «заквасками» той интронной организации эукариотического генома, которая минимизировала разрушительный эффект ГПГ, а впоследствии, очевидно, стала одним из движителей эволюции у эукариот, полностью, как можно предположить, заменив гипотетическую древнюю систему «ранних» интронов, но сохранив ее идею создания рекомбинантного разнообразия транскриптов РНК и транслятов белков за счет их сборки «по мелким кусочкам».
Критически важной эволюционной инновацией стало формирование синхронизированного удвоения и дальнейшего деления хозяйского и паразитического (архейного и бактериального) начал в эукариотической клетке, то есть ядра и митохондрий. Переизбыток митохондрий в результате их ускоренного деления ведет к быстрому истощению ресурсов клетки и в первую очередь отражается на них самих. Ускоренное деление ядра без соответствующего увеличения числа митохондрий ведет к их утрате в большей части последующих поколений.
Клетка без митохондрий кажется более энергетически уязвимой, более восприимчивой к внешним опасностям, хотя эти риски в определенных условиях могут оказаться и некритическими. Выглядит так, что синхронизация митохондриального размножения и клеточного деления для поддержания целостности эукариотической индивидуальности в первую очередь затрагивает интересы митохондрий и поэтому оказывается в своего рода их ответственности. Именно они сформировали аппарат контроля клеточного деления, основанный, в частности, на системе белка р53 (или его аналогов). Возможно, «раскольцовывание» эукариотических хромосом, превращение их в линейные также позволило создать более строгий контроль их репликации, в том числе через радикальное сокращение мест (сайтов) ее начала. Выход ядерного деления из-под контроля митохондрий чреват очень серьезными последствиями для эукариотической клетки как единой информационной сущности, особенно в составе многоклеточного организма (БОН: глава XV).
Быстро достигнутое за счет удачного симбиоза энергетическое совершенство, если не энергетическая избыточность эукариот, дало им возможность нести увеличенные энергетические затраты на репликацию практически неограниченного количества, казалось бы, бессмысленного генетического груза. Тем не менее именно этот груз в дальнейшем позволил:
• радикально снизить риски попадания генетического материала паразитов в критические участки генов;
• создать механизм интронного сплайсинга – возможности перегруппировки составных частей одного гена, позволяющих варьировать его функциональность;
• поддерживать «библиотеку» генетических кодов, бессмысленных в настоящем, но потенциально полезных в будущем.
Кроме того, почти полное избавление от ГПГ заставило первых эукариот активно искать и в эволюционном масштабе времени сравнительно быстро найти новые механизмы обеспечения адаптационной изменчивости. Таковыми, в частности, оказались механизмы мультипликации (чаще – дупликации) генов и, в развитие этого направления эволюции – редукционного деления (мейоза, то есть деления с двойным уменьшением генетического материала и образованием половых клеток – гамет) с последующим обменом генетическим материалом от двух протородителей при восстановлении «нормального» количества генетического материала. Обмен генетическим материалом с его рекомбинацией (кроссинговером) позволял успешно решить проблему не столько накопления мутаций, сколько ускорения положительного отбора за счет появления при каждом «рождении» в результате полового процесса генетически совершенно нового организма. Кольцевым хромосомам, похоже, в силу возникающих в них механических напряжений, очень сложно обеспечить правильную рекомбинацию и последующее расхождение. Конечной платой за эту новую молекулярно-генетическую инновацию стал отказ от кольцевых хромосом прокариот и переход к линейным эукариотическим хромосомам. Но не исключено, что, напротив, появление линейных хромосом из необходимости кратно усиленного контроля их удвоения предопределило возможность их облегченной рекомбинации.
В любом случае как прямое следствие этого возникла проблема репликации открытых концов хромосом, так как абсолютно все ДНК-полимеразы в природе требуют посадочной площадки-«затравки» и, соответственно, не умеют начинать удвоение ДНК с самого первого ее нуклеотида. Получается, что при каждом удвоении ДНК заметно укорачивается. Специальный фермент теломераза, присутствующий у всех без исключения эукариот, существенно замедляет этот процесс, «переписывая» недостающую после деления ДНК с помощью связанной с ней небольшой РНК. Эта обратная транскрипция стала возможной, как ни странно, благодаря тем же самосплайсирующимся интронам группы II: Теломераза – прямая наследница входящей в их состав обратной транскриптазы (Autexier C. and Lue N. F., 2006).
Полностью проблема укорочения хромосом теломеразами не решается. Это дает основание многим исследователям считать теломеразы теми часиками, которые отсчитывают время предстоящей жизни клетки. Кроме того, с возникновением интенсивного перемешивания генетического материала возникла и проблема невозможности нахождения в одной клетке нескольких значительно отличающихся вариантов функционально идентичных митохондриальных генов, так как механизм регулирования оптимальной работы ЭТЦ митохондрий требует чрезвычайно тонкой настройки и взаимодействия между генами ЭТЦ, которые обязательно должны быть локализованы только в митохондриях и генами, локализованными в ядре (УПС: глава II).
Родительские комбинации этих генов доказали свою жизнеспособность хотя бы тем, что «дожили» до времени полового размножения. Детским же комбинациям генов – от двух родительских ядерных и двух родительских митохондриальных – часто сложно найти общий язык в рамках одного клеточного жилища, будь оно коммунальной квартирой или архейным замком. Решение возни