Баланс между потерей и приобретением генов у бактерий

Большинство бактерий, конечно, не внутриклеточные паразиты, а жители большого мира. Им нужно гораздо больше генов, чем риккетсиям. Тем не менее на них действует аналогичное давление отбора, просто они не могут позволить себе потерять так же много генов, как риккетсии. Склонность свободноживущих бактерий терять гены можно измерить в лабораторных условиях. В 1998 г. венгерские исследователи Тибор Веллай, Кристина Такач и Габор Вида, в то время работавшие в Университете имени Лоранда Этвёша (Будапешт), провели несколько простых, но показательных экспериментов. (Конечно, их техническое исполнение было далеко не простым, но концептуально они были удивительно просты и понятны.) Они создали три бактериальные плазмиды (эти маленькие кольцевые молекулы ДНК служат генетической «разменной монетой»; мы встречались с ними в главе 1). Каждая плазмида содержала ген, обеспечивающий устойчивость к какому-то антибиотику. Между ними было только одно существенное отличие — размер. Они содержали разное количество некодирующей ДНК. Эти плазмиды поместили в культуры растущих бактерий E. coli. Бактерии «подбирали» оказавшиеся в культуре плазмиды (этот процесс называется трансфекцией), после чего могли использовать новые гены при необходимости.

Сначала венгерские исследователи выращивали три трансфицированные культуры в присутствии антибиотика. Бактерия, потерявшая плазмиду, теряет вместе с ней и устойчивость к антибиотику и погибает. При таком давлении отбора медленнее всех росли колонии с самыми большими плазмидами, так как у них уходило больше времени и сил на копирование ДНК. Всего лишь за 12 часов клетки с самыми мелкими плазмидами в десять раз обогнали своих неповоротливых родичей по скорости роста в культуре. Во втором экспериментальном варианте бактерий выращивали без антибиотика. Тогда все три культуры росли с примерно одинаковой скоростью, независимо от размера плазмиды. Как же так? Исследователи еще раз проверили бактерии на присутствие плазмид и выяснили, что лишние плазмиды были утрачены. Все три культуры бактерий могли расти с примерно одинаковой скоростью потому, что избавились от генов устойчивости к антибиотикам, которые в данных условиях были им не нужны. Бактерии выбросили гены, потому что они мешали им размножаться быстрее, словно руководствуясь девизом «Всё лишнее — за борт!».

Эти исследования показывают, что потеря лишних генов у бактерий — вопрос часов или дней. Такая скорость означает, что виды бактерий имеют тенденцию сохранять наименьшее число генов, позволяющее им выжить в конкретный момент. Естественный отбор похож на страуса, прячущего голову в песок, — если какое-то действие предоставляет временную передышку, то неважно, что в долгосрочной перспективе оно может оказаться крайне глупым. Если ген устойчивости к антибиотикам не востребован, его теряет большинство клеток в популяции, даже если он может понадобиться в ближайшем будущем. Бактерии теряют таким же образом не только гены устойчивости к антибиотикам, но и любые другие «неважные» в данный момент гены. Легче всего теряются гены, находящиеся на такой «портативной» хромосоме, как плазмида, но теряются они и с основной хромосомы, только медленнее. Любой ген, который не используется регулярно, с большой вероятностью будет утрачен в результате случайных мутаций и отбора на большую скорость репликации. Об эффективности этих механизмов на основной бактериальной хромосоме свидетельствует малое количество «избыточной» ДНК, а также небольшое по сравнению с эукариотами число генов. Бактерии маленькие и простые, потому что при первой возможности избавляются от лишнего багажа.

Это не так безрассудно, как может показаться. Бактерии могут снова «подобрать» утраченные гены или даже обзавестись новыми. Это происходит за счет горизонтального переноса генов — «подбирания» ДНК (например, ДНК мертвых клеток) из окружающей среды или получения ее от других бактерий в процессе бактериальной конъюгации. Итак, потеря генов компенсируется их активным приобретением. Маловероятно, что в нашем изменчивом мире все бактерии в популяции потеряют все избыточные гены, прежде чем условия снова изменятся (например, со сменой времени года), ведь потеря генов — это случайный процесс. По крайней мере часть бактерий, скорее всего, сохранит такие гены в работоспособном состоянии, и когда условия снова изменятся, они передадут их другим членам популяции путем горизонтального переноса. Именно этой щедростью объясняется быстрое распространение устойчивости к антибиотикам в бактериальных популяциях.

Важность горизонтального переноса генов у бактерий, открытого в 1970-х гг., постепенно была признана. Тем не менее мы лишь недавно стали понимать, в какой мере это явление может путать наши эволюционные построения. У некоторых видов бактерий более 90 % наблюдаемой изменчивости в популяции связано именно с горизонтальным переносом генов, а не с обычным отбором клеток в клонах или колониях. Перенос генов между разными видами, родами и даже доменами означает, что бактерии, в отличие от нас, не передают потомкам устойчивый набор генов путем вертикального переноса. Этот факт говорит о том, что даже просто дать определение вида у бактерий до крайности сложно. Вид у растений и животных — это популяции особей, способных скрещиваться и производить плодовитое потомство. К бактериям это определение неприменимо — они размножаются бесполым путем с образованием клонов идентичных (по умолчанию) клеток. В теории с течением времени клоны расходятся в результате мутаций, и возникающие между ними генетические и морфологические отличия заслуживают гордого названия «видообразование». Однако горизонтальный перенос генов часто путает все карты. Бактерии могут менять гены так быстро и так основательно, что эта какофония стирает всю родословную. Нет таких генов, которые бы передавались дочерним клеткам на протяжении более чем нескольких поколений; их рано или поздно заменяют эквивалентные гены совсем другого происхождения. Пальма первенства принадлежит Neisseria gonorrhoeae. Эта бактерия рекомбинирует гены так быстро, что определить клональные группы невозможно в принципе: даже гены рибосомальной РНК, которые, как считают многие, отражают истинную филогению (эволюционное родство) бактерий, меняются так часто, что совершенно не позволяют судить о родстве.

С течением времени такой перенос генов может приводить к огромным различиям. Приведу только один пример: перенос генов привел к образованию двух штаммов бактериального «вида» E. coli, геномы которых отличаются друг от друга примерно третью (около 2000) составляющих их генов, то есть более существенно, чем отличаются друг от друга все млекопитающие, а может быть, и все позвоночные! Важность вертикального переноса генов, при котором гены передаются только дочерним клеткам во время клеточного деления, у бактерии часто неоднозначна. Представьте, что вы пытаетесь определить семейное родство, изучая ценности, передававшиеся из поколения в поколение, и вдруг выясняете, что люди, родословную которых вы изучаете, поголовно страдали клептоманией и то и дело воровали друг у друга фамильное серебро. Поскольку ветвящееся «древо жизни» основано на вертикальном переносе генов — ложном предположении, что наследство передается только от родителей к детям, — вопрос о том, насколько оно отражает истинное положение вещей, остается открытым. Возможно, гораздо более справедливо было бы говорить о «сети жизни», по крайней мере в случае бактерий. Как заметил один доведенный до отчаяния ученый, пытавшийся построить «древо жизни», «это только господу Богу под силу».

Так почему же бактерии так разбрасываются генами? Такое поведение похоже на альтруизм, дележку генетическими ресурсами ради блага популяции в целом. На самом деле это разновидность эгоизма, то, что Мейнард Смит называл «эволюционно устойчивой стратегией». Сравните горизонтальный перенос генов с обычным «вертикальным наследованием». Во втором случае, если популяции бактерий угрожает антибиотик, а спасительные гены остались только у нескольких клеток, тогда основная, незащищенная часть популяции погибнет, и популяция сможет восстановиться только за счет потомства потрепанных, но не побежденных антибиотиком бактерий. Если условия снова изменятся и будут благоприятствовать другому гену, выжившая популяция снова сильно сократится. В быстро меняющихся условиях пережить все трудности смогут только клетки с огромным репертуаром генов, и их геномы будут такими огромными и неудобными, что они не выдержат конкуренции с бактериями, способными размножаться быстрее. Бактерии с маленькими геномами, конечно, чувствительны ко всем передрягам, но если они могут «подбирать» гены из окружающей среды, то проблема решена — тогда они могут сочетать быструю репликацию с генетической устойчивостью к почти любым внешним воздействиям. Такие бактерии, постоянно теряющие и приобретающие новые гены, обойдут своих соперников, как неуклюжих генетических гигантов, так и приверед, которые вообще не «подбирают» никаких новых генов. Можно предположить, что самый эффективный способ получения новых генов — это конъюгация, а не «подбирание» генов мертвых бактерий, которые могут быть повреждены. Поэтому бактериям выгодно делиться генами, и этот эгоизм выглядит как альтруистичное поведение. Итак, в случае бактерий мы имеем дело с динамическим равновесием двух разнонаправленных тенденций — тенденции к утрате генов, сокращающей бактериальный геном до минимально возможного размера при конкретных условиях, и тенденции к накоплению новых генов за счет их горизонтального переноса генов по мере необходимости.

Я привел несколько примеров потери генов у бактерий (Rickettsia, бактерии из экспериментов венгерских ученых). Тем не менее довольно трудно доказать важность потери генов у бактерий в «дикой природе»; единственный убедительный аргумент — маленький размер их генома (небольшое число генов и малое количество мусорной ДНК). Однако в пользу силы и настойчивости давления отбора, направленного на утрату любых лишних генов, также свидетельствует распространенность горизонтального переноса генов у бактерий. Поскольку, несмотря на приобретение новых генов, геномы бактерий не увеличиваются, надо полагать, что они теряют гены с той же скоростью, с какой приобретают их. А склонность быстро терять гены связана с конкуренцией между клетками в пределах вида (а также клеток разных видов) — чтобы выжить, они должны постоянно сокращать геном до минимально возможного при конкретных условиях.

Верхний предел размера бактериального генома — примерно 9–10 миллионов «букв», кодирующих около 9000 генов. Надо полагать, что бактерии, получившие больше этого количества генов, вскоре теряют их, так как большой геном замедляет репликацию, не давая никаких преимуществ. Это еще один яркий пример отличий между бактериями и эукариотами. Чем больше мы узнаем о бактериях, тем сложнее нам делать валидные обобщения. В последнее время были открыты бактерии, имеющие линейные хромосомы, ядро, цитоскелет и внутренние мембраны, то есть все те признаки, которые раньше считались прерогативами эукариот. Но есть одно отличие, которое никуда не делось даже при внимательном рассмотрении, и это число генов. Почему нет бактерий, у которых больше 10 миллионов «букв» ДНК, в то время как одноклеточный эукариот Amoeba dubia, с которым мы встречались в главе 1, ухитрился накопить 670 миллиардов «букв»? Как эукариоты смогли сбросить репродуктивные ограничения, наложенные на бактерии? Правильный ответ, как мне кажется, предложили Тибор Веллай и Габор Вида в 1999 г. Он обезоруживающе прост. Размер клетки, объем генома и уровень сложности бактерий ограничены потому, что они вынуждены дышать через наружную клеточную мембрану. Давайте посмотрим, почему это важно.