Эту гипотезу выдвинули в статье 2006 года Билл Мартин и Евгений Кунин. Ученые предположили, что на заре возникновения эукариот произошло следующее: эндосимбионт, оказавшись внутри клетки-хозяина, обрушил на архею настоящий дождь генетических паразитов. Те стали заселять геном. Вторжение интронов сыграло большую роль в формировании эукариотического генома и послужило толчком для развития таких важнейших признаков, как наличие ядра. (Я бы прибавил – и полового размножения.) Да, идея может показаться похожей на байку, шатким основанием для которой послужили РНК-ножницы. Но в пользу этой гипотезы говорит и структура самих генов. Огромное число интронов (а оно измеряется десятками тысяч) в сочетании с их расположением внутри эукариотических генов указывает на их древнее происхождение. Более того, это позволяет судить не только о древности самих интронов, но и в целом об отношениях эндосимбионта и хозяина, очень тесных и полных жестокости. Даже если эти идеи и не совсем соответствуют действительности, мне кажется, они относятся к той разновидности ответов, которая нам нужна.
Еще одна любопытная деталь: консервативность позиций многих интронов у эукариот. Рассмотрим ген цитратсинтазы, который кодирует белок, вовлеченный в базовые метаболические процессы клетки, и который присутствует у всех эукариот. Этот ген есть у людей, водорослей, деревьев, грибов и амеб. Поскольку с момента отделения этих групп от общего предка сменилось множество поколений, этот ген у них несколько отличается, но естественный отбор сохранил его функцию, и последовательность этого гена узнаваема у всех организмов. Это прекрасная иллюстрация общего происхождения эукариот и молекулярных основ естественного отбора. Но неожиданностью стало вот что: такие гены обычно содержат два или три интрона, позиции которых точно совпадают у далеко отстоящих друг от друга организмов, например людей и деревьев. Как это вышло? Есть лишь два правдоподобных объяснения: либо интроны независимо заняли одни и те же позиции потому, что те по каким-либо причинам оказались наиболее подходящими – либо интроны попали туда еще у общего предка эукариот и были унаследованы всеми его потомками. Впрочем, кто-нибудь из потомков мог их потерять.
Если бы нам было известно лишь несколько таких примеров, то подошло бы и первое объяснение. Но известно несколько тысяч интронов, встроенных в одни и те же позиции в сотнях генов, общих у всех эукариот, и поэтому такое объяснение кажется маловероятным. Гораздо более правдоподобнее версия о наличии этих интронов у общего предка эукариот. Отсюда следует, что вскоре после появления эукариотической клетки пришла волна инвазии интронов. В дальнейшем эти интроны должны были претерпеть ряд мутаций, которые нарушили их подвижность и зафиксировали их так же, как меловой контур указывает на положение тела на месте преступления.
Есть куда более убедительное доказательство того, что имела место ранняя инвазия интронов. Гомологичные гены (то есть произошедшие от одного предкового гена) делятся на два типа: ортологи и паралоги. Ортологи – это гомологичные гены, выполняющие у разных организмов одни и те же функции. Пример ортологичного гена – ген цитратсинтазы. Его ортологи есть у всех эукариот. Паралоги – это гомологичные гены, произошедшие от копий предкового гена внутри генома одной клетки. Паралогичные гены объединяются в генные семейства. Такие семейства могут содержать 20–30 генов, и каждый из них в конце концов оказывается приспособленным для выполнения конкретной задачи. Например, семейство генов гемоглобина содержит около 10 генов. Все они кодируют очень схожие белки, но функции этих белков немного различаются. Итак, ортологи – это гомологичные гены у разных видов, а паралоги – гомологичные гены в геноме одного организма. Конечно, целые семейства паралогичных генов могут быть и у разных видов, унаследовавших их от общего предка. Так, у всех млекопитающих в геноме закодированы семейства паралогичных генов гемоглобинов.
Мы можем поделить семейства паралогичных генов на древние и поздние паралоги, как это сделал Евгений Кунин. По Кунину, древние паралоги – это семейства паралогичных генов, которые есть у всех эукариот. У прокариот эти гены не дуплицированы. Поэтому мы предполагаем, что дупликация генов, в результате которой возникло семейство древних паралогов, произошла в эволюции эукариот еще до появления Последнего общего предка эукариот. Поздние паралоги – генные семейства, которые есть лишь у определенных групп эукариот, например, только у животных или у растений. В этом случае делаем вывод, что дупликация этих генов произошла позднее, уже в ходе эволюции группы.
Кунин предположил, что если на ранних этапах эволюции эукариот действительно происходила активная инвазия интронов, мобильные интроны должны были встраиваться в случайные позиции генов. Древние паралоги в тот период как раз активно дуплицировались, и, если волна ранней инвазии интронов тогда еще не утихла, мобильные интроны должны были встраиваться в новые гены – члены разрастающегося семейства паралогичных генов. Дупликации генов семейств поздних паралогов произошли уже после окончания ранней инвазии интронов, поэтому в новых копиях этих генов интроны должны были остаться в тех же позициях. Иными словами, позиции интронов в древних паралогах должны быть существенно менее консервативными. И это действительно так. Позиции почти всех интронов в поздних паралогах консервативны, в отличие от позиций интронов в древних паралогах – именно так, как было предсказано.
Все это наводит на мысль, что предки эукариот действительно пострадали от инвазии мобильных интронов, причем их заразили интронами собственные эндосимбионты. Но почему интроны так размножились у предков эукариот, если и бактерии, и археи, как правило, держат их в ежовых рукавицах? Этому есть два объяснения, и, вполне возможно, верны они оба. Согласно первому, предки эукариот – по сути еще прокариоты, точнее археи, – подверглись бомбардировке бактериальными интронами, оказавшимися прямо в их цитоплазме. Здесь работает принцип храповика. Эндосимбиоз – это эксперимент природы, который, как и всякий эксперимент, может провалиться. Если клетка-хозяин погибает, эксперимент проваливается. Но если погибает один из эндосимбионтов, еще не все потеряно – в клетке их много, и эксперимент продолжается. Но ДНК погибшего эндосимбионта попадает в цитоплазму клетки-хозяина и там может рекомбинировать с хозяйской ДНК, как и при обычном горизонтальном переносе.
Этот процесс нелегко остановить, он продолжается и по сей день: наши собственные ядерные геномы содержат тысячи обрывков митохондриальной ДНК – ядерно-митохондриальные псевдогены (Nuclear Mitochondrial Sequences, NUMTS), которые произошли именно таким путем. Псевдогены возникают время от времени и дают о себе знать лишь тогда, когда они повреждают гены, вызывая генетические заболевания. На ранних этапах эволюции эукариот, еще до того, как они приобрели ядро и стали эукариотами, подобный перенос ДНК должен был происходить куда чаще. Случайный перенос митохондриальной ДНК в геном – это плохо. Но еще хуже, если есть специальные механизмы, встраивающие мобильные интроны в определенные участки генома, избегая других. Как правило, интроны бактерий приспособлены к существованию внутри бактерий, а интроны архей – к существованию внутри архей. Но на заре возникновения эукариот все пошло наперекосяк: бактериальные интроны стали встраиваться в архейный геном, который сильно отличается от бактериального. Никаких механизмов борьбы с чужими интронами тогда не существовало, а иначе что могло удержать интроны от неконтролируемого размножения? Правильно: ничто! Появилась перспектива вымирания. Лучшее, на что можно было надеяться – влачить жалкое существование в виде маленькой популяции генетически нестабильных, слабых клеток.
Вторая причина активного размножения интронов на ранних этапах эволюции эукариот – слабое давление отбора. Отчасти это следствие того, что в малой популяции ослабленных клеток конкуренция между особями слабее, чем в огромных популяциях здоровых клеток. Но первые эукариоты обладали поистине небывалой устойчивостью к инвазии интронов. В конце концов, источником этих интронов были эндосимбионты – будущие митохондрии: энергетический рог изобилия и вместе с тем генетическая ноша. Такая генетическая и энергетическая обуза, как интроны, обходится бактериям недешево: маленькие клетки, у которых ДНК немного, воспроизводятся быстрее, чем крупные клетки с избыточным количеством ДНК. Бактерии стремятся оптимизировать свои геномы до минимально возможного размера. У эукариот же сильная асимметрия размеров геномов: их ядерные геномы свободно разрастаются за счет уменьшения геномов эндосимбионтов. Разрастание генома клетки-хозяина не преследует никакой цели – просто отбор не препятствует увеличению размеров генома, как происходит у бактерий. Снижение действия отбора на размер генома – палка о двух концах. Это позволяет эукариотам приобретать тысячи новых генов путем дупликации и рекомбинации – и дает возможность выжить с огромным количеством генетических паразитов. Эти два процесса неразрывно связаны. Эукариотические геномы оказались нашпигованы интронами просто потому, что это стало возможно с энергетической точки зрения.
Судя по всему, первые эукариоты были атакованы генетическими паразитами собственных эндосимбионтов. Как ни странно, сами по себе эти паразиты не представляют большой опасности. Настоящие проблемы начинаются, когда они погибают, оставляя “трупы” – засоряющие геном интроны. Клетке-хозяину приходится их вырезать, иначе происходит синтез бессмысленных белков. Это делают сплайсосомы, произошедшие от молекулярных РНК-ножниц мобильных интронов. Но сплайсосома, несмотря на всю свою внушительность, лишь отчасти решает проблему интронов. Ее недостаток в том, что она очень медленно работает. Даже современным сплайсосомам, за 2 млрд лет достигшим совершенства, требуется несколько минут, чтобы вырезать один интрон. Рибосомы же работают с бешеной скоростью – до 10 аминокислотных остатков в секунду. Им требуется менее 30 секунд, чтобы синтезировать типичный для бактериальных клеток белок длиной около 250 аминокислотных остатков. Если даже сплайсосоме удастся добраться до РНК (что нелегко, поскольку РНК нередко облепляет множество рибосом), это не сможет предотвратить синтез большого количества бесполезных белков, содержащих транслированные последовательности интронов.