Книга: Эволюция. Классические идеи в свете новых открытий

Как работает эпистаз

Как работает эпистаз

Еще об одном интересном результате Ленски и его коллеги сообщили в 2011 году (Waads et al., 2011). Ученые проследили, как организмам удается иногда выходить из «ловушек локального оптимума». Трудно придумать гипотетическую схему, в которой популяция начнет спускаться вниз по ландшафту приспособленности, потому что впереди замаячит более перспективная вершина: ведь спустившиеся особи должны вытесняться менее прозорливыми и ушлыми конкурентами. Но жизнь настойчиво твердит, что ловушки локального оптимума преодолимы, а эксперименты показывают, как это происходит. В итоге победа в эволюционном соревновании достается не тем, кто лучше приспособился здесь и сейчас, а тем, кто, поначалу проигрывая, сохранил лучшие возможности для дальнейшей эволюции. И здесь помогает эпистаз.

Как мы помним, одно из достоинств эксперимента Ленски в том, что часть бактерий периодически замораживают и сохраняют в таком виде для дальнейших исследований. В любой момент их можно оживить и использовать в опытах. Это открывает потрясающие возможности. Например, можно напрямую сравнивать приспособленность ныне живущих бактерий, которые уже более 50 тыс. поколений эволюционировали в своих колбах под присмотром ученых, с их далекими предками. Кроме того, любое эволюционное событие, зарегистрированное в ходе эксперимента, можно многократно «проигрывать заново», размораживая предков и наблюдая, произойдет ли у них это событие снова. Это позволяет отделять случайные и маловероятные события от закономерных и высоковероятных.

Ленски и его коллеги «проиграли заново» эволюцию нескольких подопытных бактерий, замороженных по прошествии 500 поколений основного эксперимента. Все бактерии происходили из одной экспериментальной популяции. К 500-му поколению в этой популяции уже появилось несколько полезных мутаций, которые впоследствии достигли 100-процентной частоты. Кроме того, на этом этапе эксперимента, как и на любом другом, в популяции присутствовали обладатели менее удачных мутаций, которые впоследствии были вытеснены.

Напомним также, что бактерии были лишены генов, разрешающих горизонтальный перенос, так что обмениваться генами, комбинируя удачные варианты, они не могли. Это позволило генетикам выделить среди замороженных микробов поколения № 500 «будущих победителей» — бактерий, обладающих мутациями, которые впоследствии достигли 100-процентной частоты в популяции (будем называть их прапобедителями), и «будущих проигравших» — тех, чьи потомки впоследствии исчезли из популяции (или пралузеров). Выращивали по два штамма каждого типа, т. е. всего четыре линии, выведенные из двух прапобедителей и двух пралузеров.

Размороженные прапобедители имели полезные мутации в генах topA и rbs. Первый ген кодирует фермент топоизомеразу, который помогает расплетать и снова сплетать двойную спираль ДНК в ходе транскрипции (считывания генетической информации). От свойств топоизомеразы зависит активность многих генов. Второй ген, rbs, — это даже не ген, а целый оперон[53], отвечающий за усвоение рибозы.

Мутация topA, характерная для прапобедителей, сама по себе дает 13-процентный выигрыш в приспособленности по сравнению с исходным штаммом бактерий. Это было установлено при помощи генно-инженерных манипуляций: предку «пересадили» эту мутацию, не меняя остального генома, и устроили соревнование. Модифицированный штамм переиграл исходный.

Все мутации в опероне rbs представляют собой делеции (выпадения участков ДНК), дающие выигрыш в 1–2 %. В ходе эксперимента бактерий кормили чистой глюкозой, а не рибозой, поэтому потеря части рибозного оперона могла быть выгодна: она снижала расходы клетки на синтез лишних белков.

У обоих штаммов «проигравших» тоже была мутация в гене topA, но она отличалась от той, что была у прапобедителей. Авторы обозначили ее topA1. Она тоже полезна сама по себе, но повышает приспособленность не на 13, а только на 5 %. У одного из двух штаммов пралузеров была мутация в опероне rbs, и снова не такая, как у прапобедителей. Другие мутации ученым не открылись.

Для начала авторы сравнили приспособленность (скорость роста) штаммов прапобедителей и пралузеров. Казалось бы, у первых приспособленность должна быть выше. Как ни странно, результат оказался противоположным. Выяснилось, что пралузеры превосходят по приспособленности предковый штамм на 20–23 %, тогда как прапобедители опережают предка лишь на 13–15 %. Таким образом, на промежуточном зачете после 500 поколений пралузеры вырвались вперед, сильно обогнав «будущих победителей». Это, конечно же, означает, что у «будущих проигравших» имелись какие-то полезные мутации, которые ученым пока не удалось обнаружить, причем польза от них перекрывает известный выигрыш от мутаций topA и rbs.

Авторы рассчитали, что если бы репродуктивное преимущество пралузеров над прапобедителями, наблюдавшееся после 500-го поколения, сохранялось и впредь, то пралузеры полностью вытеснили бы прапобедителей примерно за 350 поколений, т. е. к 850-му поколению. Как мы знаем, этого не случилось. Все произошло наоборот. Очевидно, потомкам прапобедителей удалось менее чем за 350 поколений приобрести новые полезные мутации, которые позволили им обогнать потомков пралузеров в эволюционном соревновании. Естественно, возникает вопрос: почему потомки пралузеров сами не приобрели аналогичных мутаций, ведь у них было на это ровно столько же времени и хорошая фора?

Авторы предположили, что разгадка может скрываться в различном влиянии мутаций, имеющихся у прапобедителей и пралузеров, на дальнейшие эволюционные перспективы. Эффекты действия генов, в том числе и мутантных, накладываются друг на друга; напомним, что это явление называют эпистазом. Степень полезности той или иной мутации не абсолютна: она зависит от генетического контекста. Скажем, мутация А может быть полезной при наличии мутации Б, но вредной при ее отсутствии (или наоборот). Можно предположить, что полезные мутации, изначально обеспечившие быстрый рост приспособленности у пралузеров, снизили способность бактерий к дальнейшей адаптации. Например, они могли сглаживать или даже сводить на нет эффекты каких-то других, еще не возникших мутаций, полезных в других генетических контекстах. При этом мутации прапобедителей сами по себе были менее полезны, но зато они не закрыли дорогу для будущих приобретений.

Можно ли проверить эту гипотезу? Да! Генетики провели несколько остроумных экспериментов, в которых весьма наглядно показали счастливую мутационную судьбу прапобедителей и злополучную — пралузеров. Мутационное счастье заключалось в повышенной выгоде от новоприобретений, а злосчастье — в пониженной.

Для начала геномы бактерий каждого из четырех штаммов пометили точечными мутациями, не влияющими на приспособленность, но позволяющими различать штаммы по окраске[54]. Затем меченых (белых и красных) бактерий из одного и того же исходного штамма (либо прапобедителей, либо пралузеров) смешивали в соотношении 50:50 и позволяли эволюционировать в тех же условиях, что и в основном эксперименте. В каждом поколении регистрировалось соотношение белых и красных бактерий. До тех пор пока в эволюционирующей популяции не возникало новых полезных мутаций, это соотношение испытывало лишь небольшие случайные колебания под действием генетического дрейфа. Но, как только возникала первая полезная мутация, ситуация резко менялась. Фокус тут в том, что любая полезная мутация изначально возникает у какой-то одной бактерии. «Повезет» либо красной, либо белой бактерии. Потомки бактерии с полезной мутацией начинают быстро размножаться, и, соответственно, в популяции начинает расти доля либо белых, либо красных микробов (точнее, микробов, образующих белые или красные колонии на соответствующей среде). При этом ученые получают сразу две уникальные возможности: 1) с большой точностью поймать момент возникновения первой полезной мутации; 2) оценить степень ее полезности по скорости, с которой соотношение красных и белых будет отклоняться от исходного 50:50.

Нужно подчеркнуть, что речь здесь идет только о первой полезной мутации. Пока полезная мутация всего одна, соотношение белых и красных уходит от исходного состояния по экспоненте и всю ситуацию можно анализировать при помощи достаточно простой математики. Как только появляется вторая полезная мутация, картина становится слишком сложной.

При помощи этой великолепной методики авторы показали, что скорость появления полезных мутаций в линиях прапобедителей и пралузеров одинакова, однако средняя полезность первой полезной мутации, возникающей в штаммах прапобедителей, заметно выше, чем у пралузеров. Иными словами, экспоненциальный рост или снижение соотношения белых и красных у прапобедителей в среднем шли быстрее, чем у пралузеров, вплоть до появления второй полезной мутации, которая «смазывала» картину. У победителей первая полезная мутация повышала приспособленность в среднем на 6 %, а у лузеров — только на 4 %. В прямых конкурентных экспериментах между прапобедителями и пралузерами выяснилось, что первые теперь в среднем на 2,1 % более приспособлены, чем вторые. Это значит, что их победа была не случайностью, а закономерным следствием более высокого «эволюционного потенциала». Это подтверждает предположение о том, что «генетический контекст» у прапобедителей более благоприятен для последующей адаптивной эволюции. Разумеется, полезные возникавшие мутации были разными и далеко не во всех случаях авторам удалось их идентифицировать.

Исследователям удалось расшифровать один конкретный пример взаимного влияния мутаций (эпистаза) из числа тех, что обеспечили итоговый выигрыш прапобедителей. Оказалось, что у них в шести из 20 линий потомков за 883 поколения закрепились полезные мутации в гене spoT — многофункциональном регуляторе активности генов. Мутация в этом гене закрепилась также и в основном долгосрочном эксперименте. Однако ни в одной из 20 линий потомков пралузеров мутации в гене spoT не зафиксировались. При помощи генно-инженерных экспериментов удалось показать, что мутация spoT оказывается полезной в сочетании с мутацией topA, характерной для штаммов прапобедителей, но не приносит пользы в сочетании с мутацией topA1, характерной для пралузеров.

Получается, что тот эволюционный путь, по которому пошли пралузеры, хотя и обеспечил им преимущество на ранних этапах эксперимента, оказался менее перспективным, в частности потому, что лишил бактерий возможности повысить свою приспособленность за счет приобретения мутаций в гене spoT.

Таким образом, в долгосрочной перспективе вероятность закрепления той или иной мутации зависит не только от ее непосредственного влияния на приспособленность «здесь и сейчас», но и от ее воздействия на эволюционные перспективы, т. е. на вероятность того, что другие мутации, которые могут возникнуть в будущем, окажутся полезными. В результате линии, поначалу вырвавшиеся вперед в эволюционной гонке, в конечном счете могут оказаться в проигрыше. Разумеется, для этого необходимо, чтобы отстающие, но перспективные линии успели приобрести дополнительные полезные мутации раньше, чем их полностью вытеснят более успешные конкуренты.

Эти удивительные результаты перекликаются с палеонтологическими фактами, которые подметил еще в XIX веке русский зоолог В. О. Ковалевский (1842–1883), изучавший эволюцию копытных. Палеонтологическая летопись демонстрирует немало примеров того, как из двух конкурирующих групп, возникших примерно в одно и то же время, сначала добивается успеха одна, но затем ее вытесняет другая. При этом адаптивная эволюция в обеих группах идет в одном направлении (у копытных речь шла о преобразованиях стопы и кисти). В первой успешной группе ключевые приспособления развиваются быстрее, но являются более поверхностными, несбалансированными. Во второй группе, которая поначалу занимает подчиненное положение, аналогичные адаптации развиваются медленнее, но в итоге оказываются более комплексными, слаженными и глубокими (Расницын, 1986). Эту закономерность традиционно объясняли на основе общих представлений о «компромиссном» характере эволюции. Любая адаптация покупается ценой ограничения возможностей для развития других адаптаций. Быстро приобретенные «косметические» адаптации могут перекрыть пути дальнейшего совершенствования, так что весь путь в итоге оказывается тупиковым. Теперь мы видим, как эта закономерность работает на молекулярно-генетическом уровне.