Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

93

Дальнейшее, еще более детальное изучение CRISPR-Cas-систем заставляет считать это объяснение весьма правдоподобным. Действительно, CRISPR-Cas локусы бактерий и архей включают токсин-антитоксинные элементы, которые, видимо, функционируют в тесном взаимодействии с собственно иммунным компонентом CRISPR-Cas (Makarova KS, Anantharaman V, Aravind L, Koonin EV. Live virus-free or die: coupling of antivirus immunity and programmed suicide or dormancy in prokaryotes. Biol Direct. 2012 Nov 14;7:40).

Интереснейшее явление капацитации, безусловно, еще недостаточно изучено, так что далеко идущие интерпретации экспериментов следует воспринимать максимально осторожно. Так, независимая серия экспериментов показывает, что эффект инактивации HSP90 обусловлен не демаскированием скрытой вариабельности, а активацией транспозонного мутагенеза (Specchia V, Piacentini L, Tritto P, Fanti L, D’Alessandro R, Palumbo G, Pimpinelli S, Bozzetti MP. Hsp90 prevents phenotypic variation by suppressing the mutagenic activity of transposons. Nature. 2010 Feb 4;463(7281):662-5). Примечательно, однако, что и в этих экспериментах HSP90 выступает как суппрессор вариабельности.

Прионы стали знамениты именно этим, когда было показано, что таинственные «вирусы» скрэйпи овец и коровьего бешенства, а также некоторых редких фатальных неврологических заболеваний у людей на самом деле представляют собой «инфекционные белки» (M. F. Tuite and T. R. Serio. The Prion Hypothesis: From Biological Anomaly to Basic Regulatory Mechanism. Nature Reviews Molecular Cell Biology 11 [2010]: 823–833). Выяснилось, что механизмы репликации прионов, лежащие в основе их инфекционности, включают в себя автокаталитическую пролиферацию белковых агрегатов (в 1997 году за это открытие Стенли Прузинеру была присуждена Нобелевская премия по физиологии и медицине; S. B. Prusiner. Prions. Proceedings of the National Academy of Sciences USA 95 [1998]: 13,363—13,383; G. Vogel. Prusiner Recognized for Once-Heretical Prion Theory. Science 278 [1997]: 214) и, как это обычно случается с поразительными открытиями в области биологии, хоть и новы и непредвиденны (хотя, в определенном смысле, Курт Воннегут и предсказал их в «Колыбели для кошки»), не нарушают центральную догму и принцип ПОР.

Отметим, не вдаваясь в детали, что эти выводы следует воспринимать с максимальной осторожностью, как сугубо предварительные. Имеются аргументы в пользу другой трактовки, согласно которой [PSI+] вовсе не имеет какой-либо функции, а представляет собой «эпигенетическую болезнь» (Wickner RB, Edskes HK, Bateman D, Kelly AC, Gorkovskiy A. The yeast prions [PSI+] and [URE3] are molecular degenerative diseases. Prion. 2011 Oct-Dec;5(4):258-62; Wickner RB, Fujimura T, Esteban R. Viruses and Prions of Saccharomyces cerevisiae. Adv Virus Res. 2013;86:1-36).

Непереводимая игра слов: survival of the fittest – survival of the flattest; ясно, что «плоский» в этом контексте по сути означает наиболее устойчивый к мутациям.

Этот «обобщенный опережающий эффект» логично рассматривать как прямое нарушение центральной догмы (Koonin EV. Does the central dogma still stand? Biol Direct. 2012 Aug 23;7:27). Однако важно отметить, что это нарушение проявляется на феноменологическом уровне, но не на уровне фундаментальных молекулярных механизмов, в которых нет ничего необычного.

Здесь следует сделать еще одно замечание личного характера: мои собственные исследования в эволюционной геномике начались с вирусов в 1984 году. К тому времени небольшие геномы вирусов были единственными полными геномными последовательностями, и их, ожидающих сравнительного анализа, было уже тридцать или около того, от разных хозяев (животных, растений, бактерий). По-видимому, в то время лишь немногие исследователи осознавали ключевое различие между геномом, то есть полной генетической информацией организма (пусть такого, как вирус, который во многом зависит от хозяина), с его собственной эволюционной историей, и доступными тогда последовательностями фрагментов геномов клеточных форм жизни. В то время не существовало четкого разграничения между функциональной и эволюционной геномикой, так как большая часть последовательности каждого генома была terra incognita: попытки предсказания функций вирусных белков шли рука об руку с усилиями по воссозданию эволюционных взаимоотношений (не то чтобы сейчас такого взаимодействия не было, но часто оно не так очевидно). По большому счету, оба направления были плодотворны. Это было невероятно захватывающее время.

Многое здесь основывается на первой статье, касающейся гипотезы мира вирусов (E. V. Koonin, T. G. Senkevich, and V. V. Dolja. The Ancient Virus World and Evolution of Cells. Biology Direct 1 (2006): 29), где можно найти множество ссылок. В этой главе я цитирую в основном публикации по вопросам эволюции вирусов, не вошедшие в статью 2006 года, или ключевые работы, появившиеся позже ее публикации.

В случае эгоистичных элементов не вполне очевидно, какую форму агент-специфической нуклеиновой кислоты следует обозначать как геномную. Для полноценных вирусов геном традиционно – и разумно – определен как инкапсидированная форма (включенная в капсид и вирион), служащая поэтому в качестве распространяемого генома. Для лишенных капсида генетических элементов определение дать труднее, но все еще имеет смысл предложить считать геномом инфекционную форму, в тех случаях, когда таковая есть.

Мой общий подход в этой книге заключается в том, чтобы переносить все мои личные воспоминания и ассоциации в эти примечания. Пусть это будет единственным исключением – его предмет слишком важен для меня лично и может представлять некоторый интерес и для других.

Геном (+)РНК-вируса, лишь отдаленно родственного известным вирусам этого класса, был обнаружен в горячих источниках, заселенных почти исключительно археями, в результате метагеномного анализа. Однако для идентификации природного хозяина этого вируса еще требуется большая экспериментальная работа.

Как нетрудно было ожидать, совсем недавно у нематод были обнаружены и вполне типичные вирусы (Félix MA, Ashe A, Piffaretti J, Wu G, Nuez I, Bélicard T, Jiang Y, Zhao G, Franz CJ, Goldstein LD, Sanroman M, Miska EA, Wang D. Natural and experimental infection of Caenorhabditis nematodes by novel viruses related to nodaviruses. PLoS Biol. 2011 Jan 25;9(1):e1000586; Franz CJ, Zhao G, Fйlix MA, Wang D. Complete genome sequence of Le Blanc virus, a third Caenorhabditis nematodeinfecting virus. J Virol. 2012 Nov;86(21):1194).

За не столь долгое время, прошедшее с момента сдачи в набор оригинала этой книги, анализ метагеномов принес немало новых открытий, пожалуй, еще более удивительных, чем описанные здесь. За последний год или два стало рутиной собирать полные вирусные геномы из метагеномных последовательностей. Для некоторых семейств вирусов эти виртуальные геномы уже перекрывают разнообразие, открытое стандартными методами. Так, исключительно путем исследования метагеномов было обнаружено разнообразие геномов оцДНК бактериофагов, о котором до этого не подозревали (Roux S, Krupovic M, Poulet A, Debroas D, Enault F. Evolution and diversity of the Microviridae viral family through a collection of 81 new complete genomes assembled from virome reads. PLoS One. 2012;7(7):e40418). Сходным образом, к трем известным геномам вирофагов (см. ниже) было добавлено пять новых геномов, собранных из метагеномных библиотек (Zhou J, Zhang W, Yan S, Xiao J, Zhang Y, Li B, Pan Y, Wang Y. Diversity of virophages in metagenomic data sets. J Virol. 2013 Apr;87(8):4225-36). Сообщается и об открытии принципиально новых типов вирусных геномов, таких как, например, гибрид оцДНК и оцРНК вирусов (Diemer GS, Stedman KM. A novel virus genome discovered in an extreme environment suggests recombination between unrelated groups of RNA and DNA viruses. Biol Direct. 2012 Jun 11;7:13). Эти исследования не просто приводят к открытию новых групп вирусов, но меняют саму парадигму вирусологии: если традиционно вирус изолировали из организма хозяина, а затем определяли последовательность генома, то теперь накапливается все больше разнообразных геномов «в поисках вирусов и хозяев». Представляется вероятным, что в скором времени такие геномы будут составлять основу наших знаний о вирусах.

Уже упоминавшаяся игра слов: ORFan – производное от Open Reading Frame (открытая рамка считывания), Orphan – сирота; в английском произношении эти слова практически неразличимы.

Нобелевская премия по физиологии или медицине 2009 года была присуждена Элизабет Блекберн, Кэрол Грейдер и Джеку Шостаку за открытие теломеразы (G. Vogel and E. Pennisi. Physiology Nobel. U.S. Researchers Recognized for Work on Telomeres. Science 326 (2009): 212–213). Это, конечно, по любому счету замечательное открытие, но понятно, что отчасти побудительным мотивом для награждения служили последствия удлинения или укорочения теломер, вызываемые, соответственно, высоким или низким уровнем экспрессии теломеразы, для рака и старения. Поэтому особенно интересно, что такой важный и значимый для медицины фермент пришел прямиком из мира вирусов.