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

Отсутствие согласия относительно положения корня древа и монофилии по крайней мере в некоторых супергрупах, не говоря о мегагруппах, указывает на то, что, несмотря на некоторые появляющиеся свидетельства, порядок первичных ветвлений в филогении эукариот в настоящее время остается неизвестным. В некотором смысле, если в раннем расхождении эукариот имел место Большой взрыв, то порядок ветвления супергрупп как таковой можно считать не имеющим особого значения. Однако биологические события, повлекшие это раннее расхождение, представляют огромный интерес, поэтому серьезные попытки разобраться в топологии самых глубоких ветвей эукариот, без сомнения, будут продолжаться с использованием более масштабных наборов данных и более совершенных методов.

Сложный, «растущий» LECA и темные века эволюции эукариот

Реконструкция LECA

Закрепление главных черт клеточной организации и, что более важно, существование большого набора генов, остающихся консервативными у всех или у большинства ранообразных эукариот, не оставляет сомнений, что все ныне существующие эукариоты произошли от одного общего предка (Last Eukaryote Common Ancestor, LECA). Как обсуждалось в начале этой главы, все эукариоты, которые были изучены достаточно детально, имеют либо митохондрии, либо МПО. Самое простое (самое экономное) заключение из этого положения вещей состоит в том, что LECA уже обладал митохондриями. И повторюсь, правдоподобность этого вывода возрастает с каждой новой описанной группой эукариот, в которой обнаруживаются органеллы, подобные митохондриям.

Реконструкция эволюции генного репертуара эукариот основана на тех же принципах и методах, что и реконструкция эволюции прокариот, обрисованная в главе 5, — в общем и целом, это принципы наибольшей экономии и наибольшего правдоподобия. Описывая суть этих подходов очень упрощенно, можно сказать, что происхождение генов, представленных у различных ныне живущих представителей главных линий эукариот, и даже предположительно потерянных в некоторых линиях, можно отследить вплоть до LECA. Результаты всех этих реконструкций согласованно указывают на сложность LECA как в отношении числа предковых генов, так и, что может быть даже более важно, в отношении наличия у предка типичных функциональных систем эукариотической клетки. Максимально экономные реконструкции, основанные на филетических паттернах в кластерах ортологичных генов эукариот, относят к LECA приблизительно 4100 генов (Koonin et al., 2004). Такие оценки очень консервативны, поскольку они не принимают во внимание главного аспекта эволюции эукариот — специфической для индивидуальных ветвей утраты предковых генов. Действительно, даже животные и растения, по-видимому наименее склонные к утрате генов эукариотические царства, явно утратили около 20 процентов предполагаемых предковых генов, идентифицированных у свободноживущего представителя Excavata Naegleria gruberi (Fritz-Laylin et al., 2010; Koonin, 2010b). Таким образом, эти реконструкции означают, что геном LECA был не менее сложным, чем геном типичных современных свободноживущих одноклеточных эукариот (Koonin, 2010a).

Этот вывод подтверждается сравнительно-геномными реконструкциями предковой композиции ключевых функциональных систем LECA, таких как поры ядра (Mans et al., 2004), сплайсосомы (Collins and Penny, 2005), аппарата РНК-интерференции (Shabalina and Koonin, 2008), системы передачи сигналов посредством убиквитина и протеасом (Hochstrasser, 2009), аппарата внутренних мембран (Field and Dacks, 2009) и аппарата деления клетки (Makarova et al., 2010). Итоги этих исследований ясны и согласуются между собой, даже когда в качестве шаблона для реконструкции используются различные топологии филогенетического древа эукариот: LECA уже обладал всеми этими структурами со всей их функциональностью, возможно столь же сложной, как и у современных эукариот.

Реконструкция других аспектов геномной композиции и архитектуры LECA также указывает на высокую сложность предкового генома. Сравнительный геномный анализ положения интронов в ортологических генах внутри супергрупп и между ними свидетельствует о высокой плотности интронов у предков супергрупп и у LECA, не меньшей, чем у современных свободноживущих одноклеточных эукариот, a вероятнее всего, близкой к богатым интронами генам животных и растений (ниже в данной главе мы вернемся к примечательной истории эукариотических интронов более подробно).

Систематический анализ широко распространенных паралогичных генов эукариот указывает на то, что LECA предшествовали сотни дупликаций, особенно генов, вовлеченных в кругооборот белков, таких как молекулярные шапероны (Makarova et al., 2005). В итоге эти результаты ясно показывают, что LECA был типичной, полностью развитой эукариотической клеткой. В последующей эволюции эукариот не проявляется постоянной тенденции к повышению сложности клеток, за исключением специфических для ряда линий «украшательств», обнаруженных в группах многоклеточных (животных, растений и бурых водорослей), а также у некоторых протист, таких как зеленые водоросли или жгутиконосцы.

Стволовая фаза: темные века эволюции эукариот

Демонстрация того, что LECA обладал высокой сложностью клеточной организации, подразумевает наличие ключевой, стволовой (то есть предшествующей расхождению ныне существующих ветвей) фазы в эволюции эукариот (см. рис. 7-3), после появления эукариотических клеток, но до появления LECA. Среди остальных эволюционных событий стволовая стадия включала широкомасштабную дупликацию ряда генов, так что набор предковых генов примерно удвоился (Makarova et al., 2005). Как долго продолжалась стволовая фаза в эволюции эукариот? С учетом того, что мы не осведомлены о каком-либо генетическом разнообразии до LECA, интуиция подсказывает, что эта фаза была очень краткой, откуда следует, что события между появлением первой эукариотической клетки и LECA развертывались в быстрой последовательности, возможно взрывообразно (см. рис. 7-3а). Однако существует совершенно законная и логически корректная альтернатива: стволовая фаза была долгой и в ней происходили постоянные расхождения, но LECA (напомню, что это последний общий предок всех современных эукариот) — это тот, кто выжил в одной из линий, тогда как остальные вымерли (см. рис. 7-3б). Некоторые из попыток датировать первичное расхождение эукариот — или, другими словами, оценить возраст LECA — дают результаты, согласующиеся с версией о долгой стволовой фазе.

Молекулярная датировка событий эволюционного расхождения — весьма специализированная область исследований с множеством сложных технических проблем (Bromham and Penny, 2003; Graur and Martin, 2004). Нам придется пропустить основную часть технических подробностей и перейти прямо к результатам. Заметим что принцип состоит в том, чтобы сопоставить молекулярные данные о дивергенции (то есть результаты сравнения последовательностей, привязанные к филогенетическому древу) с палеонтологическими свидетельствами, используя нескольких точно датированных ископаемых в качестве калибровочных точек (например, самые ранние несомненные ископаемые млекопитающие датируются примерно 120 миллионами лет назад, так что это — самое позднее время начала распространения млекопитающих). Принимая строгие или нестрогие молекулярные часы, можно получить временную оценку для любого события дивергенции относительно взятых калибровочных точек и для данной топологии древа. Такие оценки могут быть достаточно достоверны, когда они представляют собой интерполяцию (то есть вывод о времени дивергенции внутри временного интервала, ограниченного калибровочными точками), но гораздо менее надежны, если получены путем экстраполяции (даты за пределами калибровочного интервала). К сожалению, для древних датировок, таких как возраст LECA, экстраполяция неизбежна. Временные оценки, полученные разными исследователями, охватывают чрезвычайно широкий диапазон дат между 1000 миллионами лет назад и 2300 миллионами лет назад. Несколько недавних, независимых и технически продвинутых исследований, использовавших нестрогие модели молекулярных часов или РГИ с похожим поведением в ходе эволюции, независимо привели к концепции «молодого LECA», которая помещает первичное расхождение эукариот в промежуток примерно от 1100 до 1300 миллионов лет назад (Chernikova et al., 2011; Douzery et al., 2004). Конечно, проблема не решена, но это, по-видимому, наилучшая из имеющихся на сегодня оценок возраста LECA. Из такой оценки следует долгая стволовая фаза в несколько сотен миллионов лет (см. рис. 7-3б), поскольку не вызывающие сомнений окаменелости эукариот относятся ко времени более чем 1500 миллионов лет назад (Knoll et al., 2006).