архей, которая по многим признакам является промежуточной между обычными археями и эукариотами. Но даже с учетом асгардархей получается, что эволюционный путь от последнего общего предка эукариот и их ближайших архейных родственников до последнего общего предка всех современных эукариот (LECA, last eukaryotic common ancestor) был долгим и трудным. На этом пути предки эукариот приобрели целый ряд признаков, которых нет ни у кого из прокариот, даже у асгардархей. Одним из последних шагов на этом пути стало, по-видимому, приобретение внутриклеточных симбионтов — альфа-протеобактерий, давших начало митохондриям.
К числу эукариотических инноваций, наиболее трудных для объяснения, относится эукариотический секс (называемый также амфимиксисом, или попросту половым размножением). Это специфический и очень эффективный способ перемешивания генетического материала разных особей, включающий сингамию (слияние гаплоидных клеток или ядер, приводящее к удвоению хромосомного набора) и мейоз (особый вариант клеточного деления, приводящий к сокращению числа хромосом вдвое). Мейоз сопровождается кроссинговером, в ходе которого гомологичные хромосомы обмениваются гомологичными участками.
Прокариотический секс (горизонтальный перенос генов, ГПГ) устроен гораздо проще. Можно назвать три основных отличия эукариотического секса (полового размножения) от прокариотического (ГПГ).
Во-первых, у эукариот обмен генами взаимный, двусторонний: каждый участник является и донором, и реципиентом. У прокариот передача генетического материала строго однонаправленная: один участник — донор ДНК, другой — реципиент.
Во-вторых, для эукариот характерна полногеномная рекомбинация: в обмене участвуют два полных генома. У прокариот в рекомбинации участвует один полный геном и один фрагмент.
В-третьих, у эукариот все гены, участвующие в рекомбинации, сохраняют шанс перейти к потомкам. У прокариот фрагмент ДНК донора либо встраивается в геном реципиента вдобавок к уже имеющимся там генам (но этот вариант не может использоваться регулярно, например в каждом поколении, ведь это привело бы к безудержному разрастанию генома), либо замещает собой гомологичный фрагмент генома реципиента. При этом замещенные аллели реципиента уничтожаются и теряют шанс перейти к потомкам (рис. 5.1).
рис. 5.1. Один из способов горизонтального переноса генов у прокариот (естественная трансформация, сопряженная с гомологичной рекомбинацией), наиболее близкий по своим эволюционным последствиям к эукариотическому сексу. Бактерия поглощает фрагмент чужой ДНК из окружающей среды (это могут быть, например, фрагменты геномов погибших бактерий того же вида), а затем встраивает его в свою кольцевую хромосому вместо собственного гомологичного фрагмента. В результате аллели бактерии-реципиента уничтожаются, замещаясь чужими аллелями. В данном случае аллель B встроился в хромосому и будет передан потомкам, а аллель b погиб.
Раньше многие специалисты предполагали, что первые эукариоты были бесполыми (размножались клонально — простым делением — и не имели полового процесса), а потом у кого-то из них появилось половое размножение. В таком случае проблема возникновения эукариотического секса не связана напрямую с проблемой происхождения эукариот. Однако по мере накопления геномных данных стало ясно, что эукариотический секс является одной из фундаментальных особенностей эукариот, которая почти наверняка имелась уже у LECA. В частности, появляется все больше аргументов в пользу того, что все современные бесполые группы эукариот произошли от предков, имевших мейоз (в их геномах сохранились остатки необходимых для мейоза генов), а значит, и половой процесс. Стало быть, происхождение эукариот и происхождение полового размножения — проблемы взаимосвязанные.
Половой процесс солелюбивой археи Haloferax. Если эукариотический секс — исходный признак эукариот, то имеет смысл поискать среди современных архей варианты генетического обмена, переходные между типичным прокариотическим и эукариотическим сексом. Крайне интересно было бы выяснить, как меняются генами асгардархеи (переходная группа между обычными археями и эукариотами), но об этом пока ничего не известно. На сегодняшний день подробно изучена система генетического обмена только у одной археи — солелюбивого (галофильного) микроба Haloferax volcanii, обитателя Мертвого моря. У Haloferax обнаружена система передачи генетического материала, действительно похожая на что-то промежуточное между обычным прокариотическим ГПГ (например, конъюгацией бактерий) и эукариотическим сексом.
Клетки Haloferax спариваются, соединяясь цитоплазматическими мостиками, по которым геномная ДНК может передаваться в обе стороны, то есть обе клетки могут быть как донорами, так и реципиентами генетического материала. При этом могут передаваться и крупные фрагменты хромосомы (длиной до 13 % генома как минимум). В лаборатории можно добиться даже слияния клеток: для этого понижают концентрацию ионов Mg2+ в среде, что приводит к растворению клеточных стенок и дестабилизации цитоплазматических мостиков. Предполагается, что такое слияние иногда происходит и в природе.
В 2010 году Гросс и Бхаттачарья предложили красивую гипотезу, связывающую воедино происхождение эукариот и полового размножения и опирающуюся в том числе на данные по половому процессу Haloferax (Gross, Bhattacharya, 2010). В ней обосновываются три положения:
1) Первые эукариоты появились в раннепротерозойских мелководных местообитаниях, когда концентрация кислорода начала расти, но озонового экрана еще не было. Под действием ультрафиолета на мелководьях должна была повыситься концентрация активных форм кислорода — сильных мутагенов. Появление эукариот стало закономерным итогом попыток архей защититься от этой напасти.
2) Архейные предки эукариот обменивались генами примерно так же, как современные представители рода Haloferax. Гросс и Бхаттачарья выстроили гипотетический сценарий постепенного эволюционного перехода от полового процесса Haloferax к полноценному эукариотическому сексу.
3) Совершенствование системы генетического обмена было необходимо предкам эукариот, поскольку они использовали чужую ДНК в качестве матрицы для починки разрывов двойной спирали своей ДНК при помощи гомологичной рекомбинации (примерно так, как это делает микроб Deinococcus radiodurans, способный выдерживать колоссальные дозы радиации).
При всех достоинствах этой гипотезы она не учитывает одну важную деталь, которая не противоречит первым двум пунктам, но сильно бьет по третьему. Дело в том, что Haloferax, как и многие другие археи, — полиплоиды, то есть имеют в каждой клетке множество (в среднем 17) копий генома — кольцевых хромосом.
Полиплоидность архей и ее эволюционные следствия. Все привыкли думать, что у прокариот в клетке только одна кольцевая хромосома. У многих бактерий и архей это действительно так. По умолчанию считалось, что Haloferax тоже моноплоиды. Однако исследования последних лет показали, что полиплоидность широко распространена у бактерий и архей. В частности, полиплоидами являются, по-видимому, все галоархеи (группа солелюбивых архей, к которым относится род Haloferax), метаногены и термоплазмы. Полиплоидной клетке не нужна чужая ДНК, чтобы чинить разрывы при помощи гомологичной рекомбинации: у нее для этого достаточно собственных хромосом.
Полиплоидность может быть полезна прокариотам по целому ряду причин, включая упомянутую репарацию разрывов ДНК, отсроченное фенотипическое проявление вредных рецессивных мутаций и повышенную надежность синтеза белка в неблагоприятных условиях. Помимо прочего, «лишняя» геномная ДНК служит запасом пищи на черный день (полиплоидные археи попросту съедают часть своих хромосом, когда им не хватает фосфора).
Полиплоидность Haloferax заставляет по-новому взглянуть на природу факторов отбора, которые привели к появлению эукариотического секса. Причем все становится даже интереснее, чем в исходной модели Гросса и Бхаттачарьи.
В 2016 году Александр Марков и Илья Казначеев при помощи компьютерного моделирования попытались выяснить, что будет происходить с популяцией полиплоидных архей, если она попадет в сильно мутагенную среду (то есть в условия, провоцирующие ускоренный мутагенез). Выяснилось, что эволюционно-генетические последствия полиплоидности у прокариот, обитающих в мутагенной среде, шаг за шагом логически приводят к появлению полового размножения (Markov, Kaznacheev, 2016).
Для начала нужно пояснить, что у полиплоидных архей нет митоза. Напомним, что при митозе дочерние клетки получают ровно по одной копии каждой родительской хромосомы. У полиплоидных архей при делении родительской клетки хромосомы распределяются между потомками примерно поровну, поэтому уровень плоидности остается более или менее постоянным, но то, какие именно хромосомы достанутся каждому потомку, по-видимому, никак не регулируется и определяется случайностью (рис. 5.2). Из этого вытекают интересные эволюционные следствия. В частности, копии гена, расположенные на разных хромосомах, не могут поделить между собой функции, как это часто происходит у имеющих митоз эукариот после полиплоидизации (полногеномной дупликации). Ведь если нет митоза, то нет и никакой гарантии, что каждый потомок получит оба специализированных варианта гена.
Разработанная компьютерная модель имитировала эволюцию популяции одноклеточных организмов с различной плоидностью. У каждой клетки предполагалось определенное число исходно одинаковых кольцевых хромосом, каждая хромосома содержала заданное число локусов (генов). Каждый ген характеризовался «качеством работы», которое могло ухудшаться из-за вредных мутаций и улучшаться благодаря полезным. От качества работы генов зависела конкурентоспособность клетки и ее шансы на выживание в каждом поколении. В модели можно было регулировать скорость мутагенеза, соотношение вредных и полезных мутаций, численность популяции, способ распределения хромосом по дочерним клеткам при делении и многое другое. Кроме того, модель позволяла имитировать разные варианты генетического обмена и гомологичной рекомбинации как внутри клетки, так и между клетками. Для простоты все вредные мутации считались рецессивными, и поэтому для вычисления приспособленности полиплоидной клетки использовалась «лучшая» из копий каждого гена. Это справедливо для многих мутаций, снижающих функциональность кодируемого белка. Таким образом, проведенный анализ относится только к тем генам, одной исправной копии которых достаточно для выживания клетки.