Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза. Часть I
, , ,
Предложена гипотеза, согласно которой эукариоты произошли от полиплоидных архей, обитавших в мелководных микробных сообществах раннего протерозоя, когда уровень свободного кислорода начал расти, но озонового экрана еще не было, что должно было резко повысить темп мутагенеза. Моделирование показывает, что в таких условиях полиплоидность у прокариот, не имеющих митоза, дает кратковременное преимущество, но в долгосрочной перспективе повышает риск вымирания из-за накопления рецессивных вредных мутаций. Полиплоидные микробы могли справляться с этой проблемой несколькими способами, постепенное совершенствование и комбинирование которых логически приводит к появлению сначала митоза, а затем мейоза и полового размножения. Новая гипотеза объясняет несколько ключевых особенностей эукариот, до сих пор остававшихся загадочными, в том числе множественные линейные хромосомы, высокий уровень генетической избыточности и быстрое появление новых генных семейств на заре эволюции эукариот, выявленное сравнительной геномикой. К числу фактов, согласующихся с гипотезой, относится недавно обнаруженная корреляция между полиплоидностью и наличием гистонов у архей.
Появление эукариот — второе по значимости событие в истории земной жизни (первое — само появление жизни). Эукариотическая клетка устроена гораздо сложнее, чем прокариотическая, а промежуточные формы между ними, существовавшие когда-то, давно вымерли. Поэтому вопрос о происхождении эукариот остается одной из самых сложных и спорных тем в эволюционной биологии. Правда, недавно ситуация резко изменилась к лучшему в результате открытия локиархей — неизвестной ранее группы архей, обладающей многими признаками, которые до сих пор считались уникальными для эукариот.
Но даже с учетом локиархей получается, что эволюционный путь от последнего общего предка с ближайшими архейными родственниками до последнего общего предка всех современных эукариот был долгим и трудным. На этом пути предки эукариот приобрели целый ряд признаков, которых нет ни у кого из прокариот, даже у локиархей. Одним из последних шагов на этом пути, по-видимому, стало приобретение внутриклеточных симбионтов — альфапротеобактерий, давших начало митохондриям.
К числу эукариотических инноваций, наиболее трудных для объяснения, относится эукариотический амфимиксис. Это специфический и очень эффективный способ перемешивания генетического материала разных особей, включающий сингамию и мейоз. Мейоз сопровождается кроссинговером, в ходе которого гомологичные хромосомы обмениваются гомологичными участками.
Прокариотический амфимиксис устроен гораздо проще: это однонаправленная передача небольших фрагментов генетического материала от микроба-донора микробу-реципиенту.
Раньше многие специалисты предполагали, что первые эукариоты были бесполыми, а потом у кого-то из них появилось половое размножение. В таком случае проблема появления эукариотического амфимиксиса не связана напрямую с проблемой происхождения эукариот. Однако по мере накопления геномных данных стало ясно, что эукариотический амфимиксис является одной из фундаментальных особенностей эукариот. В частности, появляется всё больше аргументов в пользу того, что все современные бесполые группы эукариот произошли от предков, имевших мейоз, а значит и половой процесс. Стало быть, происхождение эукариот и происхождение полового размножения — проблемы взаимосвязанные.
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 и эукариотическим амфимиксисом (рис. 3).
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 крупные фрагменты хромосомы (длиной до 13% генома как минимум). В лаборатории можно добиться даже слияния клеток: для этого нужно понизить концентрацию Mg2+ в среде, что приводит к растворению клеточных стенок и дестабилизации цитоплазматических мостиков (рис. 3, справа). Предполагается, что такое слияние иногда может происходить и в природе.
В 2010 году была предложена красивая гипотеза, связывающая воедино происхождение эукариот и полового размножения и опирающаяся в том числе на данные по половому процессу Haloferax (см.: J. Gross, D. Bhattacharya, 2010. Uniting sex and eukaryote origins in an emerging oxygenic world, статья в открытом доступе). В статье 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 этого воздействия.
2) Архейные предки эукариот обменивались генами примерно так же, как современный Haloferax. Авторы выстроили гипотетический сценарий постепенного эволюционного перехода от полового процесса Haloferax к полноценному эукариотическому амфимиксису.
3) Совершенствование системы генетического обмена было необходимо предкам эукариот, потому что они использовали чужую ДНК в качестве матрицы для починки разрывов двойной спирали ДНК при помощи гомологичной рекомбинации.
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, является полиплоидом. В каждой клетке Haloferax содержится в среднем по 17 копий генома.
Из школьной программы мы знаем, что у прокариот в клетке только одна кольцевая хромосома. У многих бактерий и архей это действительно так. «По умолчанию» считалось, что Haloferax тоже является моноплоидом: это отражено и на рис. 3, который взят из статьи 1999 года, и на рисунках в статье Гросса и Бхаттачарьи 2010 года. Однако исследования последних лет показали, что полиплоидность широко распространена у бактерий и архей. В частности, полиплоидами являются, по-видимому, все галоархеи (к которым относится 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 (полиплоидные археи съедают часть своих хромосом, когда им не хватает фосфора).
Полиплоидность Haloferax заставляет по-новому взглянуть на природу факторов отбора, которые привели к появлению эукариотического амфимиксиса. При этом всё становится даже интереснее, чем в исходной модели Гросса и Бхаттачарьи.
В журнале Biology Direct вышла новая статья, написанная мной в соавторстве с программистом Ильей Казначеевым, в которой мы при помощи компьютерного моделирования попытались выяснить, что будет происходить с популяцией полиплоидных архей, если она попадет в сильно мутагенную среду. Анализ эволюционно-генетических последствий полиплоидности у прокариот, обитающих в мутагенной среде, шаг за шагом логически привел нас к появлению полового размножения.
Для начала нужно пояснить, что у полиплоидных архей нет митоза. 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. 1). Из этого вытекают интересные эволюционно-генетические 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. Ведь если нет митоза, то нет и никакой гарантии, что каждый потомок получит оба специализированных варианта гена.
Мы разработали компьютерную модель, имитирующую эволюцию популяции одноклеточных организмов с различной плоидностью. У каждой клетки есть определенное число исходно одинаковых кольцевых хромосом, каждая хромосома содержит определенное число локусов (генов). Каждый ген характеризуется «качеством работы», которое может ухудшаться из-за вредных мутаций и улучшаться из-за полезных. От качества генов зависит конкурентоспособность клетки и ее шансы на выживание в каждом поколении. В модели можно регулировать скорость мутагенеза, соотношение вредных и полезных мутаций, численность популяции, параметры отбора и дрейфа, способ распределения хромосом по дочерним клеткам при делении и многое другое. Кроме того, модель позволяет имитировать разные варианты генетического обмена и гомологичной рекомбинации как внутри клетки, так и между клетками. Для простоты мы приняли, что все вредные мутации рецессивны, 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.
Моделирование показало, что при высокой скорости мутагенеза моноплоиды в долгосрочной перспективе более жизнеспособны, чем полиплоиды. Однако поначалу (первые несколько сотен поколений) полиплоиды опережают моноплоидов по приспособленности (рис. 4).
Причин кратковременного преимущества полиплоидов две. Первая — отложенное проявление в фенотипе вредных рецессивных мутаций. Такая мутация у полиплоидов не дает о себе знать, пока не начнут появляться клетки, несущие ее в каждой копии генома (гомозиготные). Вторая причина — ускоренное накопление редких доминантных полезных мутаций. При фиксированной частоте их возникновения в расчете на локус, вероятность приобретения клеткой полезной мутации прямо пропорциональна плоидности.
Причины последующего вырождения — слабый очищающий отбор, быстрое накопление рецессивных вредных мутаций и рост сегрегационного груза. Это значит, что в какой-то момент жизнеспособные полиплоидные клетки начинают производить нежизнеспособных потомков. Это неизбежное следствие накопления рецессивных вредных мутаций при отсутствии митоза. Термин «сегрегационный груз» обычно применяют к эукариотам в ситуации, когда гетерозиготы имеют более высокую приспособленность, чем гомозиготы. При скрещивании двух гетерозигот часть потомков оказываются гомозиготами и имеют пониженную приспособленность — это и называют сегрегационным грузом.
Поскольку полиплоидность приводит к вырождению не сразу, а сначала дает сильное преимущество, она может стать своеобразной «эволюционной ловушкой» для прокариот в мутагенной среде. Если разрешить модельным микробам иногда при делении распределять хромосомы не поровну, то есть менять свою плоидность, то полиплоиды сначала быстро вытесняют моноплоидов, а затем сами деградируют и вымирают. Это происходит даже в том случае, если подавляющее большинство клеток в исходной популяции — облигатные моноплоиды, и лишь немногие клетки способны иногда производить потомков, имеющих на одну хромосому больше. Полиплоидность распространяется, как инфекция, и приводит популяцию к гибели. При тех же параметрах популяция, состоящая только из облигатных моноплоидов, может жить неопределенно долго.
Автор: Александр Марков.
Источник: Alexander V. Markov and Ilya S. Kaznacheev. Evolutionary consequences of polyploidy in prokaryotes and the origin of mitosis and meiosis // Biology Direct. 2016. V.11. P.28 (открытый доступ).
