У одноклеточных и в меньшей степени у многоклеточных организмов имеется так называемый горизонтальный обмен генетическим материалом. У одноклеточных организмов горизонтальный обмен генетическим материалом распространен особенно широко. Бактерии выделяют в окружающую среду фрагменты своей ДНК, могут поглощать такие фрагменты, выделенные другими бактериями (в том числе и относящимися к совершенно другим видам!), и "встраивать" эти кусочки чужого генома в свой собственный. Одним из первых обнаружил генетические взаимодействия бактерий между собой в процессе их роста выдающийся советский микробиолог профессор С. Г. Смирнов из Ивановского мединститута. Тогда он не нашел понимания и его ученики подвергались атакам во время защит их диссертаций.
Огромное количество вариантов аминокислотных цепей, построенных из 20 аминокислот, делает маловероятным предположение, что природа успела за эти миллиарды лет перепробовать и найти все полезные комбинации. Поэтому думается, что в процесс эволюции произошел отказ от идеи случайного перебора и переход к модульному (блочному) принципу организации биополимеров, и комбинаторному принципу их изменчивости (121) с последующим распространением найденных решений посредством горизонтального переноса генов.
Горизонтальный перенос генетического материала включает следующие механизмы.
1. Целенаправленная передача ДНК одним организмом другому. В полиморфных микробных популяциях активное заимствование чужих генов может оказаться чрезвычайно выигрышной стратегией для микробов, оказавшихся в стрессовой ситуации: при определенных условиях это может быть гораздо выгоднее, чем, например, повышение темпов мутирования. В Интернете я нашел такие примеры: "В геномах 4 видов насекомых и 4 видов круглых червей-филярий обнаружены фрагменты генома вольбахии, причем в одном случае — у Drosophila ananassae — геном бактерии оказался вставлен в геном хозяина целиком. Получается, что в ядрах клеток этих мух содержится генетическая информация сразу о двух разных организмах! Многие гены, заимствованные мухой у бактерии, функционируют" (92).
2. Случайный захват клеткой чужой ДНК из внешней среды.
3. Перенос в составе вирусов, плазмид, мобильных элементов. Мобильные элементы, способные к перемещению внутри одного и того же генома, были открыты в 1951 г Барбарой Мак-Клинток, за что в 1983 году она получила Нобелевскую премию (122). В своих экспериментах Мак-Клинток заметила, что перемещение мобильных элементов вело к изменению фенотипа кукурузы. Вирусный перенос генетической информации — это один из способов горизонтального обмена генами, от которого не защищены даже многоклеточные организмы. Фрагменты ДНК вирусов и транспозонов часто «приручаются» высшими организмами и начинают выполнять полезные функции в геноме. Явление это настолько широко распространено, что для него даже предложен специальный термин — молекулярное одомашнивание.
4. Перенос в симбиотических системах при физическом контакте клеток. Этот перенос особенно выражен у растений, клетки которых соединены плазмодесматами и образуют единый синцитий, то есть их цитоплазмы связаны друг с другом 5. Случайное включение небольших цепей нуклеотидов в ходе починки разрывов ДНК.
6. Половой процесс. Слияние гамет, редукционное деление кроссинговер, обмен кусками у хромосом.
Наука имеет ряд примеров того, как генетический материал, полученный от других организмов был встроен в собственный геном и стал использоваться для собственных нужд. Молекулярные генетики называют такие события молекулярным одомашниванием. Они приведены в блестящей статье Маркова (92).
Один из способов горизонтального обмена генами, от которого не защищены даже многоклеточные, — это вирусный перенос. Известно, что ДНК вируса может встраиваться в геном клетки-хозяина, а потом снова отделяться от него и формировать новые вирусные частицы, которые могут заражать другие клетки. При этом вместе с собственной ДНК вирус может случайно "захватить" кусочек ДНК хозяина и таким образом перенести его в другую клетку, в том числе — и в клетку другого организма. Иногда, когда заражение происходит уже после оплодотворения, во время внутриутробного развития, вирусная инфекция передается потомству и часто возникает ситуация, когда зародыш несет вирусную ДНК не только в соматических, но и в половых клетках, и таким образом белок, кодируемый кусочком ДНК хозяина, передается по наследству (90).
От 4 до 18 процентов генов были получены разными видами микробов путем горизонтального переноса. Горизонтальная передача генов реализуется через различные каналы генетической коммуникации — процессы конъюгации, трансдукции, трансформации, процессы переноса генов в составе векторов — плазмид, вирусов, мобильных элементов. Активный перенос генов может происходить в симбиотических и паразитарных системах, где есть физический контакт клеток. Наконец, возможно «случайное» включение чужих генов в ходе репарации разрывов ДНК (90).
У прокариот в принципе возможен обмен целыми геномами, что может приводить к превращению одного вида бактерий в другой. В статье Маркова описан следующий эксперимент (91). Недавно выделили геном из бактерии Mycoplasma mycoides, которая вызывает пневмонию у коров. Геном был очищен от всех примесей и добавлен в культуру бактерий Mycoplasma capricolum, возбудителей козьего полиартрита. В донорский геном были предварительно внесены в качестве меток гены устойчивости к антибиотикам. Эти два вида микоплазм довольно близкие, разошлись они несколько десятков миллионов лет назад, может быть, тогда же, когда разошлись их хозяева — коровы и козы.
Вскоре среди клеток Mycoplasma capricolum появились бактерии с признаками Mycoplasma mycoides. Обработав культуру бактерий антибиотиком, уничтожили тех микробов, которые не вобрали в себя чужую ДНК. Уцелевшие бактерии оказались по всем признакам представителями вида M. mycoides. Один вид бактерий превратился в другой. По-видимому, бактерии «проглатывали» чужую молекулу ДНК, и сначала в них содержались оба генома вместе. Когда такая клетка делилась, одна из дочерних клеток получала геном одного вида, другая — другого.
У прокариот в принципе есть системы защиты от обмена генетическим материалом с неродственными формами, такие как система рестрикции-модификации. У эукариот есть другие механизмы генетической изоляции, связанные с половым размножением (91).
Существуют интроны 2 типа, производные генома хлоропластов и митохондрий. Они найдены у некоторых бактерий. Это мобильные элементы, которые встраиваются в генотипы. Так, что они тоже могут распространяться горизонтально.
У многоклеточных организмов горизонтальный обмен, по-видимому, играет гораздо меньшую роль. Вместо него развились более совершенные механизмы «перемешивания» наследственной информации, связанные с половым размножением. Половые железы у многоклеточных, особенно высших, действительно ограждены от остального организма особым барьером, практически непроницаемым для крупных молекул (таких, например, как белки или ДНК).
Захват чужой ДНК важен для некоторых многоклеточных эукариот. В 1978–1979 гг. в Торонто проводилась экспериментальная проверка гипотезы о том, что эволюционно значимая информация передается из хромосом стволовых клеток лимфоидной системы в хромосомы стволовых клеток половых желез через ретровирусы. Положительная передача регистрировалась непостоянно, проявляясь с большой частотой у одного-двух из 10 самцов (139. С. 154).
У многоклеточных организмов "горизонтальный обмен", по-видимому, играет гораздо меньшую роль. Вместо него развились более совершенные механизмы перекомбинирования наследственной информации, связанные с половым размножением. К тому же половые железы у высших многоклеточных действительно ограждены от влияний внешней среды особым барьером, через который могут проникать только очень немногие вещества (в основном это небольшие молекулы).
Половой процесс обычно не рассматривается как вариант горизонтального генетического обмена, хотя суть явления в принципе та же самая: это объединение в одном геноме генов разных организмов. В обоих случаях речь идет, если можно так выразиться, о межорганизменной генетической рекомбинации. Представляется, что появление полового процесса было закономерным результатом эволюции механизмов межорганизменной рекомбинации. Половой процесс отличается от более примитивных механизмов двумя основными чертами: 1) большей избирательностью (то есть смешение генов происходит в основном между близкородственными организмами). Однако и у прокариот, конечно, есть такая избирательность: близкородственные микробы обмениваются генами намного чаще, чем филогенетически удаленные.
Горизонтальный перенос генов можно выявить по ряду показателей. Во-первых, по нуклеотидному составу ДНК. Отличие в нуклеотидном составе отдельного сегмента от остальной части генома является указанием на присутствие "чужих" генов. Во-вторых, по частоте встречаемости в гене определенных кодонов. Третий важный критерий — существенное отличие в положении анализируемого гена на филогенетическом дереве от большинства других генов. О "чужеродном" происхождении гена может говорить высокая степень его сходства с гомологичным геном из отдаленного таксона при отсутствии подобного гена у близких "родственников".
Многие бактерии способны вводить свою ДНК не только в клетки других прокариот, но и в эукариотические клетки, как показывает пример агробактерии. Агробактерия вводит часть своей ДНК в растительную клетку, что приводит к развитию опухоли растения, в которой бактерия чувствует себя комфортно. Как и другие родственные ей микробы — паразитические альфа-протеобактерии — агробактерия использует для введения своей ДНК или белков в клетки эукариот специальный белковый аппарат. И получается, что агробактерия совершает с растительными клетками нечто похожее на половой процесс. Современная генная инженерия, по сути дела, также базируется на принципах горизонтального переноса генов.
Поскольку попавшая в клетки чужая ДНК может быть легко встроена в геном клетки-хозяина, то должны быть механизмы распознавания ч