Статья: Стресс — ускоритель эволюции
Если популяция микроорганизмов попадает в неблагоприятные условия среды (скажем, в среде нет ни одного из привычных субстратов — компонентов пищи), то клетки, естественно, прекращают рост и преобразуют свой обмен веществ так, чтобы, во-первых, наиболее безопасно пережить голод и, во-вторых, включить особый механизм, чтобы создать мутации, которые смогли бы адаптировать клетку к непривычному для неё субстрату, находящемуся в среде. Этот особый механизм был назван адаптивным мутагенезом.
Вот его суть. Как полагается, в таких неделящихся клетках идёт синтез ДНК. Но необычный: случайно, то в одном, то в другом месте генома, удаляется участок одной нити ДНК (для особо интересующихся: у бактерий кишечной палочки это происходит за счёт систем RecBCD, RecA и SOS-ответа), и на оставшейся нити, как на матрице, происходит синтез второй нити, но с мутациями! (Опять же для особо интересующихся: за счёт снижения активности системы репарации неправильно спаренных оснований, которая сокращённо называется MMR — от английского Mis Match Repair.) В итоге в одной из нитей какого-то участка ДНК накапливаются мутации. Такие мутации, с большой частотой возникающие в неделящихся клетках, были названы гипермутациями.
Что потом? Хотя поначалу клетка и не растёт, насыщенная мутациями одна нить гена начинает работать — происходят транскрипция и трансляция. И если в результате этого клетка начинает рост (становится способной поедать ранее несъедобный субстрат), то адаптивный мутагенез прекращается. Теперь в нём уже нет нужды. Система репарации неправильно спаренных оснований MMR восстанавливает свою активность, клетка растёт, и частота возникновения мутаций в ней становится опять нормальной, то есть низкой.
Ну а если мутаций, запускающих рост клетки, в данном гене не возникло? Может так быть? Запросто! И что тогда? Тогда адаптивный мутагенез начинается в другом случайном месте ДНК, и с помощью того же, представленного выше, механизма. Там возникает мутантный ген, и теперь уже он попробует запустить клеточный рост. Не получится — история повторится с третьим геном; если и тут не повезло, то с четвертым. Методом проб и ошибок. Где-то, да повезёт.
Ну, повезло. Однако и тут не всё просто: ведь в предыдущих трёх генах остались мутации, оказавшиеся бесполезными. А если они — вредные, а тем паче смертельные? То есть опять же риск. В общем, по обещанной выше русской пословице: „Или грудь в крестах, или голова в кустах“.
Короче говоря, очевидно, что нерастущая популяция, в которой происходят гипермутации, подвергает себя смертельному риску, ибо вероятность возникновения полезной мутации совершенно непредсказуема. А вот то, что все клетки погибнут от длительного накопления вредных мутаций, если адаптивный мутагенез не остановится, предсказуемо однозначно. Как быть?
4
…В прорыв идут штрафные батальоны.
В. Высоцкий
Оказывается, у нерастущей, но гипермутирующей популяции клеток могут быть ещё две стратегии выживания, или, если угодно, два сценария, по которым эволюция пытается ставить свои потрясающие детективы.
Первое. Прекратить адаптивный мутагенез, если за какое-то критическое время он не привёл к возобновлению клеточного роста. При этом многие клетки популяции сохранят жизнеспособность. И если условия среды вдруг изменятся к лучшему, то рост возобновится. Этот сценарий — „предусмотрительная осторожность“.
Сценарий номер два. При стрессе включить адаптивный мутагенез только у малой части клеток популяции; основная же её масса, покуда сохраняя жизнеспособность, должна неопределённо долго ждать, когда (а может, никогда?) внешние условия изменятся к лучшему. Сценарий — „смертельный риск героев“.
Так вот, удивительно или нет (да конечно же неудивительно!), но природа выбрала второй путь, второй сценарий: при стрессе гипермутации происходят только в субпопуляции, то есть в малой части нерастущих клеток. Поэтому полное название этого удивительного явления — „гипермутации в субпопуляции“ (и ещё раз для особо любопытных: см. „Genetics“, 1998, v.148, p.1559). И число этих „рисковых парней“, этих гипермутировавших героев, по одним оценкам, один на 10 000 клеток, по другим — один на миллион. Чем на молекулярном уровне они отличаются от молчаливого клеточного большинства благоразумных обывателей, пока не известно. Может, они самые сильные (ещё достаточно энергии и внутренних ресурсов, чтобы рискнуть), а может, напротив, наиболее ослабевшие, которым нечего терять. Но какими бы они ни были, будем помнить: именно эти герои, рискуя жизнью, идут в разведку новых путей эволюции, и если судьба не повернётся к ним спиной, то они смогут стать родоначальниками нового вида. Хотя за это Звезду героя вряд ли получат. Всё, как в штрафных батальонах.
Тут следует заметить как бы в скобках, что вообще-то открытие адаптивного мутагенеза, который включается, повторим, в условиях, когда организм не может запрограммированно (именно запрограммированно!) ответить на стрессовый вызов внешней среды и, как следствие, прекращает рост, — это весьма принципиальное уточнение самых фундаментальных принципов теории эволюции. Понимали ли это авторы данного открытия? Вам ничего не напоминает название статьи, где впервые описан адаптивный мутагенез: „Происхождение мутантов“ („Nature“, 1988, v.142, p.335; там же см. фамилии группы авторов)? Ну как же — конечно, напоминает: „Происхождение видов“. Эту — правда, не статью, а большую книжищу — написал некто Чарльз Дарвин! Не слабо, да? А ведь термина „мутация“ при Учителе ещё не было. И говорил Дарвин всего лишь (всего лишь!) о вариациях и вариабельности. О том, что они, варианты, возникают случайно и направлены в разные стороны. А о том, как изменения внешней среды влияют на частоту вариабельности, — не говорил. Но, похоже, молчаливо предполагал, что не влияют. Нет, гениальным был Учитель. Провидцем.
Так вот, действительно влияют. И теперь — уточнение второго общебиологического принципа, который конструировал (подглядывал у природы) Тимофеев-Ресовский.
Эволюция — это: 1) случайная генетическая изменчивость, 2) её расширение в неблагоприятных (стрессовых) условиях окружающей среды, 3) естественный отбор.
Всё? Нет, если про эволюцию, то это ещё не окончательная формулировка, потерпите.
Едем дальше. Изменчивость — это не только точечные мутации (замены, вставки или выпадения нуклеотидов), это ещё и перемещение мобильных (подвижных) генетических элементов внутри генома (IS-элементов и транспозонов). Считается, что такие „прыгающие“ гены — не что иное, как эгоистические молекулярные эндосимбионты, то есть внутриклеточные сожители. От клетки они получают возможность существовать — реплицироваться в составе её ДНК, а ей могут давать массу преимуществ, ибо кровно заинтересованы в том, чтобы клетка жила: понятно, если клетка умрёт, то они вместе с ней. Нормально? Конечно. И одно из преимуществ, которые клетке дают транспозоны, — это широкое разнообразие блочных перестроек генома, которые они могут стимулировать, а именно: удвоение и перемещение генов, рекомбинации (обмен генами между разными участками ДНК) и прочее, и прочее. Всё это — тоже генетическая изменчивость, но в её иерархически более высокой форме; если использовать образы, то тут изменяются не буквы в словах, как при точечных мутациях, а перемещаются слоги, и возникают совсем новые слова. И если они (точнее, их носители, организмы) уцелеют, когда естественный отбор лупит по головам кого ни попадя, а слабеньких в первую очередь, то вот вам и пропуск в обозримое будущее.
Ладно, от образов переходим к реалиям. А они таковы.
Оказалось, что стресс стимулирует перемещение мобильных генетических элементов, а тем самым — блочные перестройки генома. И самое интересное — как проходит эта стимуляция. Белок, который резко увеличивает частоту перемещений транспозона, называется шаперон HSP-70, синтез которого активируется при многих стрессах, в частности при тепловом шоке (отсюда и название: Heat Shock Protein — белок теплового шока, а 70 — потому, что массой он в 70 килодальтон). Основная задача этого белка, как полагали прежде, — предотвратить инактивацию (денатурацию) других белков при ухудшении физико-химических условий среды, в частности при повышении температуры более 40°С. Но совсем недавно обнаружили, что, помимо отмеченного, HSP-70 сильно ускоряет генетическую изменчивость „шокированных“ клеток, стимулируя в них перемещения транспозонов.
Сообразуясь с такими новыми данными, есть прямой смысл внести уточнение во второй постулат второго общебиологического принципа, который мы — казалось бы, окончательно — сформулировали чуть выше: в неблагоприятных (стрессовых) условиях окружающей среды происходит расширение генетической изменчивости, включающее — внимание! — повышение скорости перестроек генома.
Но и это тоже не всё. Есть ещё один способ расширения генетического разнообразия. Вы, наверное, уже догадались? Да, речь опять же о микроорганизмах.
5
Сафо, фиалкокудрая, чистая,
С улыбкою нежной.
Очень мне хочется
Сказать тебе кой-что тихонько.
Только не смею, стыд мне мешает.
Алкей