Рояль в кустах, или Скрытая изменчивость

Рояль в кустах, или Скрытая изменчивость

Одно из фундаментальных свойств живых существ — помехоустойчивость. Многие случайные помехи (как внутренние — мутации, так и внешние — колебания условий среды) тем или иным способом компенсируются и не приводят к изменению фенотипа или снижению приспособленности. Отбор поддерживает развитие адаптаций, повышающих устойчивость фенотипа к помехам, в том числе к мутациям. Примером такой адаптации могут служить белки-шапероны, помогающие принять правильную трехмерную конфигурацию другим белкам, в том числе тем, которые не могут сделать это самостоятельно из-за мутаций или неподходящих условий. О шаперонах мы рассказывали в книге «Рождение сложности».

Помехоустойчивость ведет к тому, что в популяции свободно накапливаются мутации, которые до поры до времени не влияют на приспособленность или даже вовсе не проявляются в фенотипе. Эти мутации остаются нейтральными, пока все стабилизирующие системы организма работают нормально. Но если какой-то из механизмов, обеспечивающих помехоустойчивость, выйдет из строя (из-за сильного внешнего воздействия или мутации в одном из генов, необходимых для работы этого механизма), вся эта скрытая изменчивость может внезапно проявиться, и тогда в популяции произойдет всплеск видимой (явной) изменчивости.

Например, отключение шаперона Hsp90 у дрозофил приводит к массовому появлению разнообразных уродств. Если какая-то из проявившихся аномалий окажется полезной в новых условиях (или если экспериментаторы начнут искусственный отбор по одному из «уродств»), то со временем аномалия может стать нормой. Такой отбор будет способствовать закреплению мутаций, стабилизирующих фенотипическое проявление нового признака. В итоге бывшая «аномалия» может начать проявляться в фенотипе уже без всяких стрессовых воздействий, при нормально работающем Hsp90 (Rutherford, Lindquist, 1998).

Скрытая изменчивость может играть важную роль в эволюции, помогая организмам приспосабливаться. Некоторые мутации, бывшие нейтральными в прежних условиях, могут оказаться полезными при изменении среды. Чем больше таких мутаций накопилось в генофонде, тем больше шансов, что хоть какие-то из них пригодятся в новых условиях.

Идея о положительном влиянии скрытой изменчивости на приспособляемость выглядит правдоподобной и даже очевидной. У нее есть немало косвенных подтверждений, но напрямую в эволюционном эксперименте ее удалось проверить лишь недавно (Hayden et al., 2011). Швейцарские биохимики выбрали в качестве подопытного объекта не организмы, а «квазиживую» систему — популяцию размножающихся рибозимов.

Использовался рибозим Azo, изготовленный из самовырезающегося интрона бактерии Azoarcus. В геноме бактерии этот интрон-рибозим находится в гене транспортной РНК. Его функция в бактериальной клетке состоит в том, чтобы самостоятельно вырезать самого себя из молекулы тРНК, т. е. осуществить самосплайсинг. In vitro, т. е. в пробирке, этот рибозим умеет осуществлять «обратный сплайсинг», т. е. разрезать в определенном месте субстрат — молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, причем «обрезки» остаются прикрепленными к рибозиму. По этим прикрепленным обрезкам можно отличить рибозим, успешно выполнивший свою функцию, от рибозима-неудачника. Это позволяет отбирать рибозимы, благополучно разрезавшие молекулу субстрата.

Исследователи размножили исходный рибозим и создали две одинаковые подопытные популяции (A и B). Эти популяции жили и размножались в течение десяти поколений. В каждом поколении проводился отбор на способность разрезать субстрат (короткую молекулу РНК). Те рибозимы, которым это удалось, отбирались и размножались при помощи мутагенных (склонных к ошибкам) полимераз. Скорость мутирования составляла в среднем одну мутацию на «особь» за поколение[57]. Чтобы следить за ходом эволюции, секвенировали по 2–3 тыс. «особей» (молекул рибозима) из каждого поколения.

Ученые ожидали, что за десять поколений такой жизни накопится значительный запас скрытой изменчивости. Рибозимы будут мутировать, вредные мутации отсеются отбором, а нейтральные будут копиться. Исходный рибозим Azo справляется со своей функцией в широком спектре условий (например, он выдерживает нагревание до 80 °C). Это говорит о высокой «помехоустойчивости» рибозима и позволяет надеяться, что к мутациям он окажется так же толерантен, как и к скачкам температуры[58].

Надежды оправдались: обе популяции за десять поколений накопили изрядное количество мутаций. Исходных, немутантных молекул «дикого типа» почти не осталось. Большинство особей отличались от исходного рибозима 3–6 мутациями.

Приспособленность популяций A и B (т. е. их усредненная каталитическая активность) за десять поколений не изменилась. Они не стали справляться со своей функцией лучше, чем исходный рибозим Azo. По-видимому, Azo уже был максимально оптимизирован для выполнения этой функции, и за десять поколений эволюционирующим популяциям так и не удалось «найти» такую мутацию, которая бы сделала разрезание субстрата еще более эффективным. Ни одна из возникших мутаций не оказалась полезной и не была поддержана положительным отбором. Таким образом, в течение десяти поколений действовал только очищающий отбор, который отбраковывал вредные мутации, а нейтральные игнорировал, пассивно позволяя им накапливаться.

Теперь можно было проверить главное: поможет ли скрытая изменчивость приспособиться к новым условиям. «Новые условия» состояли в том, что исследователи заменили субстрат. Вместо стандартного олигонуклеотида они предложили рибозимам его производное, в котором один из атомов кислорода в остатке фосфорной кислоты (расположенном как раз в том месте, где рибозим должен разрезать цепочку РНК) был заменен на атом серы. «Дикий» рибозим Azo справляется с таким субстратом, но с большим трудом (с низкой эффективностью).

После смены субстрата эксперимент продолжался еще восемь поколений, но теперь в нем участвовали уже не две, а три популяции. К линиям A и B добавилась третья, контрольная линия, состоящая из рибозимов «дикого типа» (WT) и не имеющая запаса скрытой изменчивости.

Все три популяции за восемь поколений в той или иной степени приспособились к новому субстрату, т. е. стали разрезать его эффективнее, чем вначале. Однако популяции A и B приспосабливались быстрее и достигли в итоге большей эффективности, чем линия WT (см. рисунок).

Секвенируя рибозимы последнего поколения, авторы обнаружили, что в популяции A наибольшей численности достиг рибозим-мутант с семью мутациями, получивший название Azo?. В популяции B победителем эволюционного соревнования оказался другой мутант — Azo*, у которого обнаружилось четыре мутации. Все мутации у двух «чемпионов» оказались разными.

Рибозим Azo*, как показали дальнейшие эксперименты, действительно разрезает новый субстрат с высокой эффективностью. Что же касается рибозима Azo?, то в чистом виде он, к удивлению ученых, вообще не смог справиться с новым субстратом. Он оказался своеобразным рибозимом-«прихлебателем»: он прекрасно режет новый субстрат только в присутствии других рибозимов (например, исходного или Azo*). Вероятно, другие рибозимы помогают ему свернуться в правильную трехмерную конфигурацию. Подобные ситуации ранее уже были замечены в экспериментах с рибозимами[59].

Что касается линии WT, то в ней за восемь поколений так и не появились эффективные мутанты, сравнимые с Azo* или Azo?.

Приспособление популяций A (серые кружки), B (светло-серые) и WT (черные) к новому субстрату. По горизонтальной оси — поколения, по вертикальной — приспособленность, измеряемая долей рибозимов, которым удалось разрезать субстрат. По рисунку из Hayden et al., 2011.

Авторы выяснили, каким образом скрытая изменчивость помогла популяции B произвести удачливого мутанта Azo*. Оказалось, что после десяти поколений очищающего отбора в популяции уже были рибозимы с одной, двумя и даже тремя мутациями из четырех, составляющих генотип Azo*. Эти мутации по отдельности не дают преимущества ни в старых, ни в новых условиях. Для эффективного разрезания нового субстрата нужны все четыре мутации вместе. Понятно, что наличие у некоторых рибозимов в популяции B отдельных мутаций из этого комплекса резко повысило вероятность возникновения удачного генотипа Azo*. Пользуясь терминологией Ленски, можно сказать, что на стадии накопления нейтральных мутаций произошло «потенцирование» рибозимов популяции B, повысившее вероятность последующей «актуализации», т. е. закрепления ключевой мутации, создавшей новый признак.

Исследование показало полезность скрытой изменчивости для адаптации к новым условиям. Но, чтобы скрытая изменчивость могла накопиться, организмы должны быть помехоустойчивыми. Если бы исходный рибозим не обладал этим свойством, почти все мутации были бы для него в нормальных условиях вредными. Очищающий отбор безжалостно бы их отсеивал, и при смене условий в популяции не оказалось бы особей, преадаптированных к новому субстрату.

Удивительная диалектика: пытаясь сделать организмы более устойчивыми (стабильными, неизменными), отбор в итоге повышает их эволюционную пластичность, облегчая последующие эволюционные изменения.