Краткий обзор и перспектива. Безусловно, прогресс в наших знаниях о мире прокариот, достигнутый благодаря успехам сравнительной геномики

Безусловно, прогресс в наших знаниях о мире прокариот, достигнутый благодаря успехам сравнительной геномики, огромен. Многие из основных закономерностей и моделей, обсуждавшихся здесь, такие как явные отличия архей и бактерий, наряду с фундаментальным сходством в режимах их эволюции и вытекающей из этого организацией генома, оперонная организация генов бактерий и архей и существование ГПГ, были замечены еще в предгеномную эру, но скорее как отдельные случаи, чем как общие тенденции. Сравнительная геномика позволяет исследователю определить, насколько общим является любая наблюдаемая тенденция, и достоверность подобных выводов увеличивается по мере роста размера коллекции секвенированных геномов. В начале геномной эры существовала надежда на открытие нового набора законов геномики. И действительно, при сравнении геномов прокариот были открыты некоторые почти универсальные количественные закономерности. Наилучшими кандидатами на статус законов геномики можно считать специфическую зависимость доли генов разных функциональных классов от размера генома, степенной закон распределения размеров семейств генов и универсальное распределение скоростей эволюции ортологичных генов (см. гл. 4).

Однако в общем и целом по итогам 15 лет работы в области сравнительной геномики, вероятно, правильнее говорить о закономерностях, ограничениях и, возможно, принципах, но не о законах, высеченных на камне. Действительно, в терминах общей организации, основная масса геномов архей и бактерий примечательно похожа и построена в соответствии с одним и тем же простым «генеральным планом» с плотным расположением кодирующих белки и РНК генов, организованных по большей части в виде директонов, как правило, с одной точкой начала репликации. Большинство генов архей и бактерий имеют простую организацию с непрерывной кодирующей последовательностью и короткими регуляторными участками. По-видимому, существует нетривиальная связь между функциями генов и сложностью генома: распределение числа генов, принадлежащих различным функциональным классам, оказывается (почти) одинаковым для широкого спектра доступных геномов, с почти постоянным «замороженным» набором генов, участвующих в процессе трансляции, и резким ростом числа генов-регуляторов и сигнальных белков при увеличении размера генома. Увеличение «бюрократического груза» вместе с энергетическими ограничениями, вероятно, являются важными факторами, устанавливающими верхний предел на размер генома прокариот и, соответственно, сложность их строения. Эти закономерности приближаются к законам геномики настолько близко, насколько это только можно представить, хотя, как всегда это бывает в биологии, существует множество исключений из любого правила.

Важнее, что в пределах этих простых ограничений мы наблюдаем огромное разнообразие и сложность содержания, функционирования и истории прокариотических геномов. Показательные примеры этого встречаются в изобилии. Демонстрация того, что значительное большинство генов в каждом геноме являются не ОРС, а имеют ортологи, является краеугольным камнем сравнительной геномики и эволюционных реконструкций сценариев. Однако обратная сторона медали, а именно фрагментарное распределение кластеров ортологичных генов в геномном пространстве, является не менее фундаментальной закономерностью. Это распределение – результат действия основных факторов, формирующих эволюцию прокариот: ГПГ, потери генов, что часто вызвано упрощением генома, и замены генов неортологами, что отображает неизоморфное соответствие между геномным и функциональным пространствами. Практически неограниченная пластичность архитектуры геномов прокариот, обусловленная частыми геномными перестройками, которые порождают разнообразные вариации на темы консервативных оперонов, а также открытие ранее неизвестных систем передачи сигналов, регуляции и защиты (лишь несколько примеров которых кратко были рассмотрены в этой главе) еще более увеличивают сложность геномного пространства прокариот, открытого сравнительной геномикой.

Представляется, что главная концептуальная новизна, привнесенная в биологию сравнительной геномикой, – это демонстрация повсеместного распространения ГПГ в мире прокариот, даже с учетом того, что масштабы перемещения генов между организмами, не являющимися близкими родственниками, остаются предметом изучения и дебатов. Независимо от того, какое направление примут эти дебаты в ближайшие годы, широкое распространение ГПГ и очевидное отсутствие непреодолимых барьеров означает, что мир прокариот представляет собой один перемешанный пул генов. Этот пул имеет сложную, разделенную на отдельные районы структуру, в которой удаленные друг от друга части обмениваются генами с меняющейся в широких пределах интенсивностью. Горизонтальный перенос генов влияет на разные классы генов в разной степени, по крайней мере частично в соответствии с гипотезой сложности, но ни один ген, похоже, не избавлен полностью от возможности ГПГ. Критически важно понимать, что существенный уровень ГПГ жизненно необходим для выживания бесполых популяций прокариот на больших интервалах времени, ибо иначе такие популяции вымирают в результате мутационной катастрофы. Таким образом, существенный темп ГПГ является условием sine qua non для постоянного выживания и эволюции в мире прокариот. Кроме того, рассмотрение роли ГПГ в формировании эволюционных процессов в геномах прокариот, вместе с универсальными законами масштабирования, приводит нас к заключению, пусть пока только качественному, что пул генов прокариот является в целом хорошо перемешанным, несмотря на все локальные неоднородности.

Важно также отметить, что существенная часть большинства геномов прокариот принадлежит мобилому, обширному множеству генов, которые приходят в геномы и уходят из них с поразительной скоростью и в основном являются эгоистичными генетическими элементами, не имеющими никакого адаптивного значения для генома своего хозяина, хотя иногда эти элементы рекрутируются хозяином для выполнения специфических биологических функций[56].

Взятые вместе, эти открытия формируют новую картину динамичного мира прокариот, который лучше всего может быть представлен сетью генетических элементов, которые обмениваются генами с существенно различающимися скоростями. В этой сети отличие между относительно стабильными хромосомами и мобиломом носит скорее количественный, чем качественный характер. Поразительная универсальность общей организации геномов прокариот, по-види мому, определяется динамическим характером пространства-времени геномной вселенной прокариот, наряду с интенсивным очистительным отбором, поддерживающимся за счет большого эффективного размера популяции большинства прокариот. Сами по себе эти характерные большие размеры популяций во многом определяются высоким уровнем ГПГ, постольку поскольку в противном случае деградация и в конечном счете мутационная катастрофа неизбежны (более подробно об этом см. гл. 8).

Парадокс сегодняшнего состояния дел в эволюционной геномике состоит в том, что, несмотря на громадный прогресс (но также и благодаря ему), проявляющаяся сложность мира прокариот в настоящее время не доступна адекватному анализу. Мы все еще не имеем соответствующего языка (в смысле теории и методологии) для описания динамики и истории геномной сети. Разработка адекватной концептуальной платформы для понимания эволюции прокариот является основным вызовом следующего этапа в развитии этой сферы исследований. В главе 6 описываются некоторые скромные шаги в этом направлении.

Рекомендуемая дополнительная литература

Davids W., and Z. Zhang. (2008) The Impact of Horizontal Gene Transfer in Shaping Operons and Protein Interaction Networks – Direct Evidence of Preferential Attachment. BMC // Evolutionary Biology 8: 23.

Количественное изучение скорости ГПГ между генами ядра и оболочки у бактерий. Гены оболочки, в частности, вовлеченные в систему клеточной защиты, имеют более высокую скорость ГПГ.

Doolittle, W. F. (1999) Lateral Genomics // Trends in Cell Biology 9: M5—8.

Ранняя дискуссия о вкладе ГПГ в концепцию древа жизни.

Doolittle, W. F., and O. Zhaxybayeva. (2009) On the Origin of Prokaryotic Species // Genome Research 19: 744–756.

Концептуальное обсуждение прокариотических видов с акцентом на многоликость эволюционных процессов у архей и бактерий, приводящих к различным формам объединений организмов, некоторые из которых похожи на формирование видов у эукариот, а другие нет.

Frost, L. S., R. Leplae, A. O. Summers, and A. Toussaint. (2005) Mobile Genetic Elements: The Agents of Open Source Evolution // Nature Reviews Microbiology 3: 722–732.

Обзор влияния мобильных элементов на эволюцию.

Gogarten, J. P., and J. P. Townsend. (2005) Horizontal Gene Transfer, Genome Innovation and Evolution. Nature Reviews Microbiology 3: 679–687.

Обзор, демонстрирующий ключевую роль ГПГ в эволюции, по крайней мере в мире прокариот.

Jain, R., M. C. Rivera, and J. A. Lake. (1999) Horizontal Gene Transfer Among Genomes: The Complexity Hypothesis // Proceedings of the National Academy of Sciences USA 96: 3,801—3,806.

Ключевое исследование, представляющее гипотезу, что гены, вовлеченные в многочисленные взаимодействия (комплексы), менее склонны к ГПГ, чем гены, имеющие незначительное число партнеров.

Koonin, E. V., and Y. I. Wolf. (2008) Genomics of Bacteria and Archaea: The Emerging Dynamic View of the Prokaryotic World // Nucleic Acids Research 36: 6,688—6,719.

Обширный концептуальный обзор эволюции прокариот, с акцентом на динамичный характер эволюции, вызванный ГПГ, заменой неортологичными генами, утратой генов, специфичной для линии организмов, и активностью мобильных элементов. Обсуждается состоящая из трех частей вселенная генов прокариот.

Lapierre, P., and J. P. Gogarten. (2009) Estimating the Size of the Bacterial Pan-Genome // Trends in Genetics 25: 107–110.

Попытка оценить размер содержимого пангенома на основе похожей на описанную в предыдущей статье модели распространения генов среди прокариот.

Lawrence, J. (1999) Selfish Operons: The Evolutionary Impact of Gene Clustering in Prokaryotes and Eukaryotes // Current Opinion in Genetics & Development 9(6): 642–648.

Обзор данных в поддержку гипотезы «эгоистичного оперона», утверждающей, что опероны поддерживаются больше за счет ГПГ, чем из-за преимуществ совместной регуляции и экспрессии генов.

Sapp, J. (2005) The Prokaryote – Eukaryote Dichotomy: Meanings and Mythology // Microbiology and Molecular Biology Reviews 69: 292–305.

Исторический анализ революции Вёзе и неадекватность концепции прокариот.

Woese, C. R. (1994) There Must Be a Prokaryote Somewhere: Microbiology’s Search for Itself // Microbiology Reviews 58: 1–9.

Блестящее обсуждение «революции Вёзе» в (микро)биологии самим архитектором этой революции. Акцент сделан на «несвязность» прокариот и взаимоотношения между археями и эукариотами.