Удивительная эволюция. Биологическая история Земли в невероятных превращениях и мутациях организмов - Джонатан Б. Лосос

В мире, где отсутствует понятие об этике, ученые намеренно бы стали заражать людей муковисцидозом разными штаммами P.aeruginosa и внимательно отслеживали бы эволюцию бактерии. В реальном мире, конечно же, даже мысль о том, чтобы задумать подобный эксперимент, была бы противоестественной. Но по сути тот же самый цикл происходит, когда больных муковисцидозом атакует P.aeruginosa.

Именно такой природный эксперимент изучали ученые в копенгагенском центре исследования муковисцидоза в начале этого века. В рамках протокола лечения больные приходят в центр ежемесячно, чтобы сдать образцы мокроты, которые затем исследуются на наличие в ней P.aeruginosa. Тем, у кого результат положительный, немедленно назначают курс лечения, который иногда эффективно помогает избавиться от бактерий.

И хотя данные процедуры созданы специально с терапевтическими целями, они также помогли провести плодотворное эволюционное исследование. Работающие в центре врачи-клиницисты определяли инфекцию P.aeruginosa почти сразу после ее возникновения, а затем наблюдали и повторно брали у пациентов образцы на протяжении продолжительного времени вплоть до десяти лет. Сравнивая образцы, взятые у одного пациента в разное время, персонал мог проследить эволюционное развитие бактерии.

Датские исследователи[112] секвенировали полный геном из более чем четырехсот образцов P.aeruginosa, взятых у тридцати четырех детей и подростков. В нескольких случаях штаммы у разных людей были очень похожими, и это говорило о том, что бактерия переходила от одного пациента к другому, несмотря на максимальные усилия врачей предотвратить подобную передачу [57].

Однако огромное количество геномов бактерий очень сильно отличались друг от друга, указывая на то, что пациенты заразились P.aeruginosa от разных природных штаммов.

И тогда возник вопрос, насколько похожими были эволюционные пути развития разных бактерий.

Сравнивая ДНК P.aeruginosa у определенного пациента в разные периоды времени, исследователи получили хронологию генетических изменений, произошедших после того, как бактерия колонизировала организм этого человека. Всего они обнаружили свыше двенадцати тысяч мутаций, что составляет в среднем более трех сотен на колонизирующий штамм.

Проблема заключалась в том, как разобраться в этом объеме информации. Какие изменения представляли адаптацию к новому окружению – человеческим легким, – а какие были случайными, не имеющими адаптивной значимости?[58] Геном P.aeruginosa содержит более пяти тысяч генов и шести миллионов участков ДНК. И хотя прогресс в изучении бактерии значительный, у нас все равно очень ограниченное понимание того, как работает геном бактерии. Следовательно, у датских ученых было смутное представление о последствиях практически всех обнаруженных ими двенадцати тысяч генетических изменений.

Столкнувшись с этой дилеммой, исследователи испытали приступ вдохновения. Они сделали вывод, что конвергентная эволюция популяций, обитающих в похожем окружении, является ярким свидетельством адаптивной эволюции. Более того, известно, что микробы конвергентно используют одни и те же гены, чтобы адаптироваться к похожим условиям. И если мы хотим определить гены, участвующие в адаптации P.aeruginosa к жизни внутри организма человека, почему бы не попробовать поискать те, которые повторно мутируют у разных больных муковисцидозом?

Ученые составили список всех мутаций, сведя воедино количество штаммов, у которых наблюдались мутации в одном и том же гене. Всего мутации возникли почти в четырех тысячах генов, в трети они происходили во множестве штаммов.

Конечно, два штамма могут приобрести мутации в одном и том же гене совершенно случайно.

Статистический анализ устанавливает порог на пяти: крайне маловероятно, что мутации в одном и том же гене в столь многих штаммах происходили случайно[59].

Пятьдесят два гена приобрели мутации в пяти и более штаммах. Рекорд поставил один ген, в котором двадцать штаммов – более половины от общего количества – претерпели генетическое изменение. Ученые рассматривали эти пятьдесят два гена в качестве возможных генов-кандидатов на конвергентную адаптацию – «кандидатные патоадаптивные гены, в которых мутации оптимизируют патогенную активность», говоря их языком.

Один из способов проверить эффективность данного метода – посмотреть, поможет ли он определить гены, уже участвовавшие в процессе адаптации P.aeruginosa. И действительно, половина обнаруженных ими генов были теми, которые уже определялись, в особенности гены, участвовавшие в эволюции сопротивляемости антибиотикам и формировании биопленки. Опираясь на конвергенцию, действительно можно установить гены, задействованные в патогенной адаптации.

Многообещающий итог данного исследования в том, что оно помогло определить ряд генов, которые, как считалось ранее, не участвовали в процессе адаптации к муковисцидозу. Биохимическое функционирование[113] семи этих генов уже известно, так что теперь исследование сконцентрировано на том, как изменение данных функций путем мутации может позволить P.aeruginosa адаптироваться к организмам больных муковис-цидозом. Кроме того, девятнадцать конвергентных генов были «терра инкогнита», их функционирование оставалось тайной (что неудивительно, ведь мы не знаем, как работает почти половина генов P.aeruginosa). Понятно, что если мы не в курсе, что делает ген, мы не имеем представления о том, каким образом изменения в этом гене приведут к адаптации к окружению в виде человеческих легких. Выяснить, как работают эти гены, несомненно, является главным приоритетом.

Как бы я хотел завершить этот рассказ заголовком «Конвергентная эволюция спасает пациентов с муковисцидозом»… Но говорить об этом пока еще рано. Тем не менее ясно, что изучение конвергентной эволюции – предмет интереса не одной только науки: эти знания могут помочь нам разобраться, как патогенные (вызывающие заболевания) организмы атакуют людей, и, возможно, понять, какие терапевтические меры нам предпринять, чтобы бороться с ними.

В то же время результаты данного исследования касаются вопроса эволюционной предсказуемости и контингентности. Большинство идентифицированных генов претерпели мутации меньше, чем у половины из тридцати четырех пациентов. Более того, делая анализ на основе конвергенции, не смогли определить адаптивные мутации, произошедшие только у одного или нескольких пациентов. Общая повторяемость, с помощью которой P.aeruginosa адаптируется к организмам больных муковисцидозом, сравнительно низкая. Предстоит выяснить, является ли эта неповторяемость результатом случайного характера мутаций, различного генетического состава разных инфицирующих штаммов, биологических различий среди пациентов или адаптации к разным частям легких.