Стресс-индуцированный мутагенез и активизация мобильных элементов: квазиламарковский феномен

Дарвин подчеркивал эволюционную важность случайных, ненаправленных вариаций, в то время как ламарковская эволюция основана на направленной изменчивости, специфически вызываемой экологическими факторами. Реальная эволюция отвергает это противопоставление. Самой яркой иллюстрацией может служить комплекс разнообразных явлений, которые в совокупности известны как стресс-индуцированный мутагенез, одним из важных аспектов которого является активизация мобильных элементов. Явление такого типа впервые было описано Барбарой Макклинток, продемонстрировавшей (в серии классических экспериментов, которые в конечном итоге принесли ей Нобелевскую премию) активизацию «перескакивания генов» в растениях в условиях стресса, а также важность этой стресс-индуцированной мобильности отдельных «управляющих элементов» для возникновения резистентных фенотипов (McClintock, 1984).

Позднее столь же известный и спорный эксперимент Джона Кэрнса (John Cairns) с сотрудниками по восстановлению мутаций в Lac-опероне, индуцированному лактозой, впечатляющим образом вывел ламарковский механизм эволюции на видное место (Brisson, 2003; Cairns et al., 1988; Rosenberg, 2001). Кэрнс и его коллеги обнаружили заметное усиление реверсии мутаций рамки считывания в Lac-опероне в присутствии лактозы и смело предположили, что за наблюдаемым эффектом стоит классический ламарковский механизм эволюции – иначе говоря, лактоза непосредственно и направленно вызвала мутации в Lac-опероне.

Последующие, более тщательные исследования, включая работы Патрисии Фостер и самого Кэрнса, показали, что это не так: стресс, в частности выращивание культуры при недостатке питания, действительно вызывает мутации, но не в специфических локусах (Foster, 2000). Было показано, что все мутации, лежащие в основе реверсии Lac-фенотипа и других подобных фенотипов, дуцированы стрессом (Lac-клетки, высеянные на питательную среду с лактозой в качестве единственного источника углерода, испытывают голодный стресс), а не берутся из предсуществующего запаса редких, спонтанных мутаций.

Стресс-индуцированный мутагенез – в частности, механизм мутагенного восстановления в кишечной палочке, известный как SOS-репарация, – был открыт задолго до опытов Кэрнса. Более того, Мирослав Радман (Radman, 1975) и Харрисон Эколс (Echols, 1981) независимо друг от друга пришли к плодотворной мысли, что эта мутагенная форма репарации может быть адаптивным механизмом антистрессовой реакции, а не просто сбоем в работе восстановительных систем. Два десятилетия дальнейших исследований подтвердили эту замечательную идею, сомневаться в истинности которой уже нет разумных оснований. Несколько групп убедительных исследований подтверждают адаптивный характер неточной репарации ДНК (Foster, 2007; Galhardo et al., 2007; Rosenberg, 2001).

Активность SOS-каскада и других мутагенных механизмов репарации в бактериях тщательно регулируется, в частности, переключением с точного воспроизведения к подверженному ошибкам восстановлению разрывов двойной спирали под воздействием сигма-фактора РНК-полимеразы, RpoS, с тем чтобы, по-видимому, достичь оптимальной скорости мутаций. Важнее всего, что стресс-индуцированные мутации, возникающие вследствие склонных к ошибкам процессов репарации, хотя и не нацелены на конкретные гены, в то же время не разбросаны по геному беспорядочно. Напротив, эти мутации концентрируются вокруг двухцепочечных разрывов ДНК, которые вызваны различными стресс-факторами и привлекают к себе аппарат мутагенной репарации.

Мутагенная репарация могла возникнуть как специфический адаптивный механизм, который делает возможной координированную эволюцию групп функционально связанных генов (ключевая особенность геномной архитектуры у прокариот) в тех редких клетках, где происходят полезные мутации, одновременно ограничивая ущерб для других частей генома. Стресс-индуцированный мутагенез, в особенности активация ретротранспозонов, был продемонстрирован также у дрожжей и животных, и это дает основание предполагать, что такой путь адаптивной эволюции универсален для клеточных форм жизни.

По крайней мере среди бактерий стресс-индуцированный мутагенез – не редкий или экзотический, а крайне распространенный процесс. Среди сотен изученных природных штаммов E. Coli индуцированный мутагенез характерен для более 80 процентов стареющих колоний, и превышение числа мутаций, запускаемых стрессом, над конститутивными мутациями варьирует на несколько порядков (Bjedov et al., 2003).

Примечательно, что стресс-индуцированная и, по всей видимости, адаптивная нестабильность генома лежит также в основе рака. Хорошо известно, что опухоли развиваются (эволюционируют) в условиях постоянного кислородного стресса, который вызывает обширные перестройки генома и мутации. Главным образом благодаря этим стресс-индуцированным изменениям выживают мутанты, способные к неконтролируемому росту в условиях стресса. Несмотря на различия в конкретных механизмах мутагенной репарации и ее регулирования, злокачественные опухоли животных (включая человека) в принципе не так уж отличаются от бактериальной популяции, эволюционирующей в стрессовых условиях.

Адаптивная эволюция, происходящая в результате стресс-индуцированного мутагенеза, не является строго ламарковской, потому что стресс не вызывает мутации непосредственно и исключительно в генах, отвечающих за устойчивость к данному стрессу. Вместо этого в организмах развились механизмы, которые в ответ на стресс вызывают неспецифический мутагенез. Однако этот процесс, как оказывается, тонко настроен таким образом, чтобы минимизировать ущерб от вредных мутаций в тех редких геномах, которые содержат полезную мутацию. Механизмы этого типа лучше всего определить как квазиламарковские. Действительно, в случае стресс-индуцированного мутагенеза необходимо учитывать следующее:

1. Условия окружающей среды приводят к появлению мутаций.

2. В результате индуцированных мутаций возникает адаптация к факторам стресса, запустившим мутагенез.

3. Мутагенная репарация управляется сложными механизмами регуляции, что не оставляет никаких сомнений относительно адаптивного характера этого процесса.

Существует прямая связь между ламарковским аспектом стрессиндуцированного мутагенеза и горизонтальным переносом, проявляющаяся в явлении переноса детерминант резистентности, индуцируемого антибиотиками. Многие антибиотики вызывают SOS-ответ, что, в свою очередь, приводит к мобилизации интегративных конъюгационных элементов, которые служат переносчиками генов устойчивости к антибиотикам (Barriss et al., 2009). Аналогия с АПГ очевидна и абсолютно уместна. Здесь мы наблюдаем конвергенцию различных механизмов изменения генома в ламарковской модальности эволюции.