Книга: Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

Эволюция эволюционируемости, надежность биологических систем и реализуемость эволюционного предвидения

Эволюция эволюционируемости, надежность биологических систем и реализуемость эволюционного предвидения

Эволюционируемость, потенциал биологических систем изменяться в ходе эволюции, является одной из многих важных концепций, введенных Ричардом Докинзом (Dawkins, 2006). В первом десятилетии XXI века «эволюционируемость» стала модным термином и предметом интенсивных дебатов (Brookfield, 2009; Kirschner and Gerhart, 1998; Masel and Trotter, 2010; Radman et al., 1999). Как таковая, способность к эволюционированию не представляет проблемы в качестве неотъемлемого свойства реплицирующихся систем (см. принцип подверженной ошибкам репликации (ПОР), введенный в гл. 2).

Как говорилось ранее в этой главе, эволюция любого организма (с некоторыми оговорками в случае РНК-вирусов) предполагает отбор на уменьшение частоты геномных и фенотипических мутаций. Тем не менее этот отбор относительно неэффективен по причинам, которые для случая геномных мутаций находят объяснение в рамках популяционной генетики, но которые менее ясны в случае фенотипических мутаций, учитывая наличие сложных, специализированных систем, предназначенных для устранения аберрантных продуктов. Таким образом, эволюционируемость, несомненно, является объектом отбора, в очевидном смысле поддержания достаточно низкого уровня шума.

Нулевая гипотеза в отношении эволюционируемости, следовательно, сводится к тому, что остаточный шум, не устраненный очищающим отбором, достаточен (и, более того, необходим), чтобы обеспечить изменчивость, являющуюся первичным материалом для эволюции. Такой «конструктивный» шум представляет собой неадаптивный побочный продукт эволюции. Яблоком раздора служит интригующая возможность, что эволюционируемость эволюционирует нетривиальным образом – иначе говоря, повышенная изменчивость при определенных обстоятельствах и/или в некоторых генных локусах может быть признаком, подверженным отбору. Идея «адаптивной эволюционируемости» звучит как анафема для многих биологов, поскольку отдает «эволюционным предвидением» или временной нелокальностью эволюции, тогда как общепринятая догма состоит в том, что эволюция «близорука», то есть носит строго локальный характер. Однако, невзирая на это общее убеждение, выводы, представленные в данной главе, ясно показывают, что определенные формы эволюционируемости могут эволюционировать и быть адаптивными и что в широком смысле эволюция способна к предвидению.

Попробуем кратко суммировать свидетельства в поддержку адаптивной эволюции эволюционируемости. Возможно, наиболее сильные свидетельства содержатся в обширной серии экспериментальных данных по системам подверженной ошибкам стресс-индуцирован ной репарации; фактически они представляют собой механизм стресс-индуцированного мутагенеза. Эти системы, в частности аппарат SOS-репарации и мутагенеза у бактерий, по-видимому, не обладают механизмами инициировать мутации именно в тех генах, что задействованы в борьбе с конкретной формой стресса. Тем не менее они определенно способствуют выживанию, увеличивая общую частоту мутаций и повышая тем самым вероятность адаптации. Сложно организованная регуляция этих систем и их широкое распространение у микробов, особенно обитающих в изменчивых условиях, не оставляют сомнений, что стресс-индуцированный мутагенез является адаптивным явлением и представляет собой характерную форму эволюционного предвидения – или, точнее, эволюционной экстраполяции.

Эволюционный процесс конечно же не может «знать», что произойдет в каждый следующий момент, но в среде с часто возникающим стрессом организмы, которые вырабатывают способность временно поднять частоту мутаций, получают дополнительный шанс на выживание. Этот эффект еще более усиливается за счет кластеризации мутаций, чему содействует привлечение стресс-индуцированных репарационных ферментов к поврежденным участкам ДНК (Galhardo et al., 2007; Rosenberg, 2001). В дополнение к этому эволюционные эксперименты показывают, что в условиях стресса повышенная частота мутаций, вызванная мутациями в генах репарации, может обеспечить селективное преимущество организмам, несущим аллели-мутаторы.

Позволив себе антропоморфизм, можно сказать, что эволюция не способна предвидеть, что произойдет в действительности, однако может экстраполировать исходя из трудностей прошлого, что неприятности рано или поздно обязательно случатся, так что единственный шанс выжить состоит в том, чтобы быть подготовленным и включать ускоренное мутирование при появлении проблемы. Это рискованная стратегия, но, по всей видимости, единственная, которая может развиться эволюционно. Реализуется ли аналогичная стратегия на уровне фенотипических мутаций, менее ясно, но такая возможность выглядит реалистичной, учитывая исследования по индуцированию ошибок трансляции, возможно специфических, в условиях стресса.

Ярким доказательством в поддержку эволюции эволюционируемости служат АПГ, специализированные вирусоподобные агенты горизонтального генетического переноса у бактерий и архей (см. гл. 4 и 10). Учитывая, что горизонтальный перенос является доминирующим эволюционным процессом у прокариот, наличие специальных устройств, которые, насколько мы понимаем, эволюционировали исключительно под селективным давлением для усиления переноса, показывает, что механизмы эволюции сами эволюционируют и, в некоторых случаях, могут рассматриваться как адаптации.

Другой важный аспект проблемы эволюционируемости связан с устойчивостью биологических сетей и так называемым явлением капацитации. Некоторые белки, из которых лучше всего исследован молекулярный шаперон HSP90 (HSP является общим сокращением для белка теплового шока, Heat Shock Protein, то есть белка, активируемого высокотемпературным стрессом), обладают свойствами эволюционных «конденсаторов», то есть медиаторов эффектов генетической и фенотипической изменчивости (Masel and Siegal, 2009). Инактивация HSP90 приводит к появлению многочисленных мутантных фенотипов, выявляя скрытую изменчивость: белки с аминокислотными заменами, не приводящими к фенотипическому эффекту в присутствии HSP90, неверно укладываются в его отсутствие (Rutherford et al., 2007)[94].

Оказывается, что капацитация довольно общее явление: в дрожжах около 300 генов (более 5 процентов от общего числа) ведут себя как конденсаторы. Общее свойство конденсаторов состоит в том, что они служат центрами сетей взаимодействия, поэтому, как предполагается, нарушение взаимодействий между конденсатором и другими белками высвобождает скрытые вариации (Levy and Siegal, 2008). Эффект капацитации также, вероятно, важен на уровне фенотипических мутаций. Как оборотная сторона капацитации, существует возможность, что HSP90 и, вероятно, другие конденсаторы обладают также способностью действовать в качестве усилителей генотипических и фенотипических мутаций, позволяя мутантным белкам, которые иначе свернулись бы неверно, укладываться должным образом и оказывать фенотипический эффект.

Возможно, самый поразительный известный механизм эволюционируемости представлен прионными белками грибов (Halfmann and Lindquist, 2010; Masel and Bergman, 2003). Подробно исследованный дрожжевой прион (PSI+) является фактором терминации (освобождения полипептидной цепи) трансляции и может самопроизвольно переходить в прионную форму, которая затем запускает автокаталитическое формирование агрегатов амилоида. В составе прионных агрегатов фактор терминации трансляции не активен, что приводит к частому проскоку стоп-кодонов и, соответственно, к образованию разнообразных белков, удлиненных на конце. В результате проявляется скрытая изменчивость в последовательностях 3’-НКР, эволюция которых лишь в слабой степени контролируется очищающим отбором. Образование прионов в сильной степени стимулируется различными видами стресса (Tyedmers et al., 2008), а прионное состояние наследуемо, это удивительная форма наследственности на основе белка[95].

Следует отметить, что механизм действия прионов увеличивает фенотипическую изменчивость через совместный эффект фенотипических мутаций (проскок стоп-кодона во время трансляции) и проявления скрытой генетической вариабельности. Повышенная выживаемость прион-несущих линий в условиях стресса была прямо продемонстрирована в эксперименте (Tyedmers et al., 2008). Пока еще не ясно, насколько типично опосредованное прионами усиление эволюционируемости. Что наиболее примечательно, прионная форма фактора терминации трансляции, похоже, не имеет каких-либо иных функций и, таким образом, вероятно, возникла именно под давлением отбора на эволюционируемость[96].

Конденсаторы, по всей видимости, работают как настоящие регуляторы эволюции. С одной стороны, эти гены обеспечивают устойчивость биологическим системам и смягчают воздействие мутаций. Несколько парадоксальным образом, однако, капацитация также способствует эволюционируемости через эффект усиления, позволяя эволюционирующим организмам увеличивать размер почти нейтральных сетей и, следовательно, потенциал для адаптивной эволюции (Wagner, 2008b).

Связь между устойчивостью и эволюционируемостью является ключевым аспектом эволюции в целом. Это сопряжение представляется «системным свойством», в котором устойчивость как защищает эволюционирующие системы от вредных эффектов изменчивости, так и увеличивает их эволюционный потенциал (Kaneko, 2007). Количественный анализ популяционно-генетических моделей показывает, что устойчивость может увеличивать или уменьшать эволюционируемость в зависимости от динамики численности популяции и структуры адаптивного ландшафта. В частности, было продемонстрировано, что адаптивная эволюция ускоряется с увеличением размера нейтральной сети (устойчивость), если фенотипы с высокой приспособленностью ограниченно доступны для эволюционирующих организмов (иными словами, ландшафт приспособленности имеет сложную структуру с множеством локальных пиков) (Draghi et al., 2010).

В рамках концепции адаптивного ландшафта явление отбора на устойчивость и эволюционируемость стало известно как «выживание наиболее плоских»[97]. Моделирование эволюции цифровых организмов показало, что при высокой скорости мутаций генотипы с относительно низкой частотой репликации, но большими почти нейтральными сетями – то есть занимающие сравнительно низкие, но плоские участки поверхности приспособленности – вытеснили генотипы, реплицирующиеся быстрее, но занимающие высокие, крутые пики (Wilke et al., 2001). С другой стороны, при низкой скорости мутаций эволюция происходит за счет выживания наиболее приспособленных – генотипов, находящихся на самых высоких пиках; были обнаружены и промежуточные режимы эволюции, в которых выживали как наиболее приспособленные, так и наиболее плоские (Beardmore et al., 2011). Таким образом, устойчивость и эволюционируемость приходят к оптимальному соотношению с приспособленностью. Эволюция максимизирует то или другое из этих свойств фенотипов или все сразу (тем самым поощряя разнообразие), в зависимости от условий.