Эволюционная геномика. 
Эволюционная геномика и базы данных для построения филогенетических деревьев

Эволюция живых систем связана с постоянным процессом мутаций. Те участки, которые являются консервативными и не меняются, являются функционально важными. К ним относятся гены и их регуляторные элементы. Геномы эукариот в целом очень похожи. Два человека отличаются в одной позиции на тысячу, а человек от шимпанзе в одной позиции на сто. То есть, 99% генома у человека с шимпанзе общие. Данные геномных исследований позволяют выявить множество след ов эволюционных событий. Одним из доказательств эволюции является наличие одинаковых ухудшений — это, по-видимому, разумно можно объяснить только тем, что они произошли у общего предка. Например, ген одного из ферментов пути синтеза аскорбиновой кислоты. Он есть у большинства млекопитающих, но не функционален у приматов, поэтому они должны аскорбиновую кислоту получать с пищей. То есть получается, что данный ген мутировал или у общего предка приматов, или этот ген промутировал одновременно и целенаправленно много раз у разных обезьян, что маловероятно. То есть, приходится признать, что все-таки существовал общий предок приматов. А после того, как ген перестал быть функционален, он постепенно разрушается, но, поскольку времени прошло не очень много, мы его остатки видим в геноме.

Анализ геномов показывает, что они не оптимизированы под существующие условия. Есть много мутаций, которые чуть-чуть вредные, но при этом не настолько вредные, чтобы сразу же исчезнуть из популяции. Например, тот же дефект синтеза аскорбиновой кислоты у приматов. Пока вы живете в Африке и питаетесь фруктами, этот ген вам не очень важен. Но, если популяция расширяется и вы попадаете на север, то это становится важным фактором отбора.

Молекулярно-генетические работы позволяют измерять скорость эволюции отдельных генов, и это важно, потому что показывает, как накапливаются изменения и как происходят преобразование. Когда стали рисовать деревья для разных семейств генов, то оказалось, что топологически они похожи, а вот длина веток разная. И был сделан вывод, что важные белки эволюционируют медленно, а относительно маргинальные — быстрее, то есть, тут идет стабилизирующий отбор против изменений в важных белках. Они все равно происходят, но медленнее.

В последние годы определена полная нуклеотидная последовательность геномов большого числа видов прокариот, ряда низших эукариот и модельных представителей растений и животных. У многих объектов секвенированы цитоплазматические геномы хлоропластов и митохондрий. Эти достижения открыли принципиально новые возможности для сравнительного анализа не только отдельных групп генов, но и целых геномов, что оказало серьезное влияние на развитие ключевых направлений эволюционной биологии.

По результатам сравнительного анализа просеквенированных геномов построена концептуальная схема универсального филогенетического древа жизни, которое состоит из трех основных царств — бактерий, архей и эукариот. Все представители трех царств имеют одного гипотетического «корневого» предка. Поэтому сравнительный анализ структуры геномов представителей отдельных групп позволяет оценить генотипическое родство или различие организмов. Имея хорошее молекулярное дерево, мы можем интерпретировать какие-то глобальные изменения на уровне морфологии. Например, палочники, они бывают крылатые, бывают совсем бескрылые, а бывают с зачаточными крыльями. И когда это нарисовали на молекулярном дереве, то оказалось, что потери и приобретения крыльев на этом пути случались неоднократно. Сохранение бескрылых форм указывает на то, что гены, которые участвуют в развитии крыла, еще для чего-то нужны, а будут ли они работать еще и на развитие крыла, зависит от небольших изменений, которые могут происходить в обоих направлениях.

Накопление молекулярно-генетических данных позволило по новому осознать первостепенную роль горизонтальных (латеральных) переносов генов, особенно на ранних этапах эволюции, как главного фактора, определяющего развитие адаптивного потенциала клеток. Эволюционную ценность имеют три основных типа переносов: появление нового гена, не имеющего аналогов в геноме реципиента; перенос паралогичного гена от генетически далекого донора; «приживление» гена ксенолога путем замещения собственного гена, ответственного за сходную функцию.

Несомненная эволюционная значимость горизонтального переноса генов подчеркивает важный биологический смысл вертикального пути наследования. Во-первых, это способ поддержания базового генома и передачи оптимизированного набора ортологичных генов, фактор защиты от «размывания» генома горизонтальными переносами, способными вносить дисбаланс в сложившиеся генные ансамбли таксона. Во-вторых, возникающие в ходе вертикальной эволюции вариации семейств паралогичных генов обеспечивают процессы усложнения геномов и «прогрессивных» путей интеграции клеточных систем. Именно совокупность горизонтального переноса и вертикальных путей усложнения клеток и являлось основной движущей силой на ранних этапах биологической эволюции.

Накоплены многочисленные факты редукционной эволюции, связанные с утратой генов, путей метаболизма, онтогенетических этапов, клеточных структур и даже целых органелл. Скорее всего, редукционная эволюция геномов лежит в основе реализации «экономически» выгодной стратегии приспособления организмов к специализированным, узким экологическим нишам, например, в случае облигатных патогенных бактерий. Редукция генных блоков происходит при функциональной оптимизации клеточных структур, митохондрий и хлоропластов, в эволюции некоторых групп организмов.

2.5 -3.5 млрд. лет назад уже могли существовать в суммарном ДНК-геномном пуле (прогеноте) наборы модулей, способных обеспечить ключевые реакции в нестабильных метаболических конгломератах. Действие селективных факторов и синтрофных взаимодействий стимулировало сборку геномов. При этом в результате горизонтальных обменов геномные домены оказывались в единой среде, где происходило обогащение генами, полезными для экофизиологической адаптации в конкретных условиях существования. Формирование предклетки могло произойти после множественных попыток, но в конечном счете по монофилетическому сценарию. Вместе с тем, учитывая разнообразие физико-химических условий, можно предполагать, что в разных геонишах планеты происходили акты неоднократного и неравноценного возникновения примитивных клеток, эволюционная судьба которых затем складывалась в русле конвергентных тенденций общих принципов организации геномов. Главенствующими процессами в тот период были интенсивные горизонтальные переносы, в результате которых и возникла запутанная геномная мозаика микроорганизмов. Ф. Дулитл высказал идею о том, что происходившие на ранних этапах эволюции события базировались на принципе множественного взаимодействия геномных сетей. Это в большей степени соответствует схеме многокорневого древа, где различные клеточные линии возникли в результате переплетения горизонтальных, вертикальных, диагональных и многоступенчатых генных переносов.

На следующем этапе эволюции происходила автономизация клеток, фиксация базовых наборов ортологичных генов, закрепление экологически целесообразных способов питания и метаболизма, становление барьеров, сужающих возможности горизонтального переноса генов. Дальнейшая эволюция клеток шла по линии структурно-функциональной консолидации и стабилизации геномов, компартментализации, организации транспортных систем, дивергенции паралогичных генов, появления и компоновки регуляторных элементов, совершенствования систем управления. На этом этапе и появились высокоорганизованные прокариоты, предшественники современных видов.

Согласно схеме универсального древа жизни на самых ранних этапах эволюции произошло разделение на две исходные прокариотические линии — бактерии и археи. Как произошло это разделение — главная загадка однокорневой схемы эволюционного процесса. Была высказана идея об исходно параллельном развитии этих двух линий, одна из которых берет начало от РНК-базового метаболизма, а другая основана на ДНК-системе. В рамках этой гипотезы наличие общих черт в организации клеток бактерий и археи можно объяснять интенсивным горизонтальным переносом генов. Такое предположение указывает на возможность независимого происхождения этих двух царств при использовании универсального генетического кода. Однако эти размышления не отвергают гипотезу отделения от архейной линии ветви, давшей начало эукариотам.

В протерозое началось становление клетки прото-эукариот с аутогенным формированием внутриклеточных структур. Данные сравнительной геномики на основе анализа большого числа различных белков в принципе разрешают почти любые версии ветвления царств из единого корня, но не могут дать ясных ответов из-за поливариантного характера оценок молекулярно-филогенетических связей даже для консервативных маркеров. В одной из гипотез рассматривается возможность дупликации генома первичного прото-эукариота, не имеющего аналога среди ныне существующих организмов. Поэтому у разных ветвей и оказалось много сходных генов, которые передаются по вертикали.

Археозойная гипотеза прямого возникновения из архейной линии прото-эукариота, не имеющего митохондрий, предполагает, что такая клетка была анаэробным организмом, из которого возникла ветвь протистов, близких к современным видам микроспоридий и метамонад. Примитивный эукариот из другой ветви и стал хозяином для протеобактерии в симбиогенезе, в результате которого появилась прото-митохондрия. После редукции генома и множественных геномных перестроек возникли современные митохондрии, которые, несмотря на разнообразие деталей, построены по единому плану, что указывает на их монофилию.

Сравнительный геномный анализ убедительно показывает, что протисты без митохондрий не могли быть у истоков возникновения первичного эукариота, а появились позднее, вторичным путем, в результате редукционной утраты митохондрии. У современных амитохондриальных протистов обнаружены ядерные гены, продукты которых нужны только для функционирования митохондрий, что указывает на уязвимость археозойной гипотезы.

Сейчас известно, что в геноме эукариот немало генов, как архейного, так и типично бактериального происхождения, обслуживающих процессы, происходящие в цитоплазме. Как же появились в ядре бактериальные гены, которые не только привнесли новую информацию, но и вытеснили большое число генов архейной линии? Проще всего это можно было бы связать с горизонтальным перемещением генов из прото-митохондрии в ядро.

В свою очередь, немало генов бактериального происхождения элиминированы из митохондриального генома. Конечно, и редукционные процессы и латеральные переносы, происходившие при оптимизации генома митохондрий, были полезными как для страховки от мутационных потерь, так и для совершенствования компартментализации и координации метаболических систем в целой клетке.

Латеральные переносы, обогащающие ядерный геном, могли быть не только результатом векторных рекомбинационных событий, но и следствием разрушения (переваривания) эндосимбионта, в результате чего высвобождались ДНК-блоки. Перенос мог осуществляться и за счет поступления в ядро к-ДНК копий, синтезируемых в прото-митохондрии. Новые геномные фрагменты могли поступать из различных бактерий и архей, которые служили пищей для одноклеточных эукариот, способных к эндоцитозу. Таким способом увеличивался диапазон привносимых извне генов, дающих преимущества быстрее, чем накопление мутационных изменений.

Согласно эндосимбиотической гипотезе (или химерной гипотезе) эукариотическая клетка возникла не в результате ветвления филогенетического древа, а путем слияния предковых линий архей и бактерий. По одной из версий этой гипотезы прото-эукариот не существовал до химерного слияния предковой архей и бактерии. Разработка этой концепции на основе геномного анализа по ключевым белковым генам позволила сделать вывод о том, что в слиянии с архейной линией участвовала грамм-отрицательная альфа-протеобактерия. Архейный компонент участвовал в формировании ядра, а бактериальная линия обусловила особенности цитозоля.

Терморедукционная модель рассматривает происхождение прокариот из примитивных эукариот в результате редукционной эволюции. Модель радикально отличается от археозойной или химерной гипотез, постулирующих возникновение эукариотической клетки на основе геномного усложнения прокариот. В терморедукционной гипотезе мезофильные эукариоты в процессе экофизиологической адаптации могли дать начало геномным линиям бактерий и архей. Авторы модели не исключают возможности вторичного возникновения архейных линий из примитивных эукариот.

" Водородная" гипотеза В. Мартина и М. Мюллера базируется на идее сопряженного и одновременного возникновения первичной эукариотической клетки и митохондрии при синтрофии архей и бактериального эндосимбионта. В качестве ведущего фактора формирования клетки эукариот предложен энергетический. В двойственной совмещенной системе происходили сложные геномные изменения: шла редукция бактериального генома, дуплицированные участки которого перемещались в архейный геном и замещали в нем многие гены, обслуживающие метаболические системы, происходило формирование прото-митохондрии как «органа» дыхания.

Возможно, необходимость этого процесса была связана не только с совершенствованием путей энергетики, но и с защитой прото-эукариота в условиях факультативного анаэробиоза от токсического действия кислорода. В рамках «водородной» гипотезы понятна природа геномного мозаицизма эукариот и отсутствие особых препятствий для процессов консолидации систем экспрессии генов различного происхождения. Очевидна и потребность в коренном изменении структуры клеточных поверхностей, в появлении эндомембран, в формировании и компартментализации ядра, в возникновении транспортных систем, в том числе для доставки белков в митохондрии.

Ближайшее будущее эволюционной геномики будет строиться не столько на структурном анализе ДНК, сколько на понимании механизмов генетических процессов, их роли в изменчивости, в регуляции функций и координации работы генов в целой клетке. Наступает эпоха постгеномики, когда обсуждение путей эволюции выйдет на новый уровень, связанный с протеомикой. Известно, что число возможных вариантов белков в клетке значительно превышает число генов. Но именно совокупностью структур и функций белков определяются фенотипические признаки, которые и вовлечены в процессы отбора. Достижения протеомики будут мощным стимулом развития нового этапа синтетической теории эволюции, которая сможет не только решать сложные задачи филогении, но и будет обладать большой прогностической силой.