Книга: Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Ламарковские и квазиламарковские явления в эволюции

Системы антивирусного иммунитета CRISPR-Cas у прокариот: демонстрация аутентичног омеханизма по Ламарку

Система антивирусной защиты и адаптивного иммунитета у архей и бактерий, которая в последнее время была изучена благодаря целой серии открытий, часто случайных, по всей видимости, работает непосредственно через предложенный Ламарком механизм. Такая система известна как CRISPR-Cas (или просто CRISPR, для краткости). Аббревиатура CRISPR означает «короткие палиндромные повторы, регулярно расположенные группами», а Cas – «белки, ассоциирующиеся с CRISPR» (Deveau et al., 2010; Karginov and Hannon, 2010; Koonin and Makarova, 2009; van der Oost et al., 2009). CRISPR-повторы содержат короткие уникальные участки-спейсеры, встроенные внутри палиндромных повторяющихся блоков. Геномы архей и бактерий содержат кассеты (группы тандемно организованных, тесно сцепленных, функционально связанных локусов) с многочисленными CRISPR-блоками – во многих случаях более одной кассеты на геном. Хотя CRISPR-повторы были открыты еще в 1980-х, за годы до первых расшифровок полных бактериальных геномов, только гораздо позже стало понятно, что CRISPR-кассеты в геномах практически всегда примыкают к группе cas-генов. Cas-гены кодируют различные ферменты, участвующие в метаболизме нуклеиновых кислот, включая нуклеазы, геликазы и, возможно, полимеразы[90].

После того как было показано, что некоторые из уникальных спейсеров в CRISPR-кассетах идентичны фрагментам генов бактериофагов и плазмид, была высказана гипотеза о том, что CRISPR-система использует полученные от фагов последовательности в качестве молекул-шаблонов для разрушения мРНК-фагов аналогично эукариотической РНК-интерференции (РНКи) (Makarova et al., 2006). Хотя большую часть деталей механизма еще предстоит выяснить, главные предсказания этой гипотезы к настоящему времени подтверждены: наличие спейсера, последовательность которого в точности комплементарна мишени, то есть соответствующей последовательности в фаговом геноме, необходимо для резистентности[91]; РНК-шаблоны, содержащие CRISPR-спейсеры, образуют комплексы с несколькими Cas-белками и используются для борьбы с инфекцией; могут приобретаться новые спейсеры, которые делают бактерию или архею устойчивой к соответствующим фагам. Примечательно, что, судя по всему, некоторые CRISPR-системы нацелены на вирусные мРНК, как и постулирует изначальная гипотеза, тогда как другие уничтожают вирусную ДНК непосредственно (Barrangou et al., 2007; Brouns et al., 2008; Hale et al., 2009; Marraffini and Sontheimer, 2008).

Рис. 9–2. Система CRISPR-Cas и механизм ее действия как пример ламарковской эволюции. Заимствовано из Koonin and Wolf, 2009b.

Механизм наследственности и эволюции генома, реализованный в CRISPR-Cas системе, представляется в полной мере ламарковским (см. рис. 9–2).

• Стимул из внешней среды (эгоистичный генетический элемент, такой как вирус) используется для непосредственного изменения генома.

• Возникающая модификация (уникальный элемент-специфичный спейсер) напрямую влияет на фактор, вызвавший изменение.

• Модификация явно адаптивна и наследуется потомками клетки, столкнувшейся с эгоистичным элементом.

CRISPR-опосредованная наследственность, по-видимому, не очень устойчива: даже близкородственные геномы архей и бактерий не содержат одинаковых вставок. Подразумевается, что, как только бактерии или археи перестают сталкиваться с конкретным агентом (вирусом), соответствующие спейсеры быстро вырождаются. В самом деле, вставки вряд ли могут быть эволюционно стабильными в отсутствие сильного селективного давления, поскольку единственная мутация сразу делает их бесполезными. Кроме того, во многом подобно адаптивной иммунной системе у животных, CRISPR-системы в редких случаях демонстрируют свойство аутоиммунности: спейсеры, идентичные фрагментам обычных генов клетки-хозяина, вставляются в CRISPR-кассеты и, предположительно, нарушают экспрессию соответствующих генов (Stern et al., 2010). Несмотря на некоторую эфемерность наследственности CRISPR, ее ламарковский характер неоспорим: адаптивная эволюция организмов происходит непосредственно в ответ на внешний фактор среды и результатом является конкретная адаптация (резистентность) к данному специфическому фактору[92].