Геном неандертальца: открытые вопросы

Эволюционная биология всегда имела много точек соприкосновения с геологией — начиная еще с Ч. Дарвина. Традиционная задача палеонтологии — калибровка филогенетических деревьев, построенных методами молекулярной эволюции. Кстати, идея использовать аминокислотные последовательности белков, чтобы строить филогенетические деревья, восходит к другому классику — Ф. Крику, а ее первое воплощение — к Л. Полингу и Э. Цукеркандлю [1, 2]. Топология дерева определяется сходством последовательностей. Длина ветвей выражается в числе аминокислотных замен, а точнее — в условных единицах, отражающих сходство физико-химических характеристик аминокислотных остатков. Пересчет в астрономическое время осуществляется благодаря привязке внутренних узлов дерева (например, общего предка млекопитающих, или птиц, или позвоночных) к палеонтологической летописи, а именно к появлению в ней соответствующих организмов. С развитием сравнительной геномики появились работы, в которых эту привязку делают менее привычными способами, что иногда приводит к неожиданным результатам. Рассмотрим несколько таких случаев, двигаясь в направлении, противоположном стреле времени.

Грибы и уголь

Грибы, разлагающие мертвое дерево, традиционно делят на белые гнили, которые способны разлагать лигнин — один из основных компонентов стенки растительных клеток, и бурые — только модифицирующие его. Это не таксономическая классификация, поскольку белые гнили встречаются в разных семействах (к ним, например, относятся опята и некоторые другие съедобные грибы). Лигнин разрушают особые ферменты — пероксидазы класса II, но среди них есть и такие, которые это вещество не разлагают. Отличить одни от других можно по аминокислотной последовательности: у лигнинолитиков на определенных позициях непременно присутствуют конкретные аминокислоты, которых нет у пероксидаз, неспособных к деградации лигнина. Этот процесс дает грибу доступ к его основному источнику углерода и энергии — целлюлозе, разложение которой, в свою очередь, зависит от ферментов из нескольких семейств оксидоредуктаз и гликозидаз.

Группа ученых США из Университета Кларка и Объединенного геномного института сравнила полные геномы 31 вида грибов, расшифрованные по большей части впервые (кстати, одним из руководителей этого проекта был наш соотечественник — И. В. Григорьев, ученик А. А. Миронова) [3]. Оказалось, что у всех белых гнилей в геноме присутствуют от 5 до 26 копий генов лигнинолитических пероксидаз, а у бурых гнилей их нет вовсе. Филогенетическая реконструкция показала, что появление таких генов и бурный рост их количества в геномах совпадает по времени с возникновением класса агарикомицетов (Agaricomycetes), к которым относится, например, красный мухомор. Это произошло примерно 290 млн лет назад (дата установлена благодаря привязке к палеонтологическим данным). Также выяснилось, что у белых гнилей резко возрастает количество генов, кодирующих белки из нескольких семейств оксидоредуктаз и гликозидаз. А вот утрата этих генов сопровождает обратный переход от общего предка — белой гнили — к современной бурой, утратившей способность к разложению лигнина.

Лигнин — основной компонент угля, залежи которого перестали формироваться на рубеже каменноугольного и пермского геологических периодов. Как раз около 290 млн лет назад формирование угольных отложений прекратилось, что по времени совпадает с появлением белых гнилей.

Впрочем, ситуация, по-видимому, не так проста, как описано в исходной публикации. Позже та же научная группа описала грибы, в геномах которых отсутствуют гены лигнинолитических пероксидаз [4]. Однако и обилие генов, кодирующих ферменты, которые разрушают целлюлозу, и экспериментально доказанная способность разлагать все компоненты клеточной стенки позволяют относить эти грибы к белым гнилям.

Цианобактерии и кислород

Пожалуй, самой страшной экологической катастрофой в истории Земли было изобретение цианобактериями эффективного оксигенного (идущего с выделением кислорода) фотосинтеза. Побочный продукт этого процесса — молекулярный кислород — отравил большую часть существовавших видов. Остатки былого разнообразия анаэробов сохранились в разного рода экзотических (с человеческой точки зрения) местах, вроде окрестностей подводных термальных источников.

Многие группы исследователей изучали происхождение фотосинтеза. Они сравнивали наборы генов, отвечающих за этот процесс, у бактерий из пяти таксономических групп, способных к фотосинтезу [5–7]. Оказалось, лишь немногие гены характерны строго для фотосинтезирующих бактерий, причем все они участвуют в синтезе бактериохлорофилла. Другие гены, продукты которых работают в путях синтеза хлорофилла, каротиноидов, кобаламина (витамина B12), а также непосредственно в фиксации углерода и в восстановлении активных форм кислорода, встречаются и в нефотосинтезирующих бактериях, а значит, были рекрутированы в систему фотосинтеза из других функциональных систем. При этом существующие системы фотосинтеза — мозаика генов, которые неоднократно переходили между геномами из далеких друг от друга таксономических групп в результате горизонтального переноса. Наряду с этим возникший позже оксигенный фотосинтез уникален для цианобактерий.

Это дает возможность калибровать очень «глубокие» филогенетические деревья, опираясь на

• геохимические признаки присутствия молекулярного кислорода в атмосфере,
• находки бактериальных матов (биоценозов, состоящих из прокариот и располагающихся на дне водоемов или около них) несомненно цианобактериального происхождения,
• возраст (в аминокислотных заменах) последнего общего предка этих бактерий.

Ферменты и металлы

Многие ферменты работают в комплексе с кофакторами, среди которых важное место занимают переходные металлы. Если современные ферменты из какого-то семейства имеют одного и того же «помощника», естественно предположить, что от него же зависела активность и предка этого семейства. Время появления этого предка можно оценить, изучив, в каких таксономических группах он встречается, и установив их последнего общего прародителя по филогенетическому дереву. Однако большие технические трудности связаны с горизонтальным переносом генов, который путает таксономическое распределение современных белков.

Чтобы справиться с этой проблемой, приходится разрабатывать специальные алгоритмы, как это сделала группа под руководством Э. Альма (E. Alm) из Массачусетского технологического института. В результате они обнаружили, что концентрация кислорода в атмосфере повышалась с архея и что появлялись все новые семейства ферментов, использующих для выполнения своей работы переходные металлы, доступность которых для живого организма зависит от глобального окислительно-восстановительного потенциала (рис. 1) [8]. Ферменты, «эксплуатирующие» медь и молибден, возникли 2,5 млрд лет назад, и доля их постепенно росла — в соответствии с геохимическими представлениями о растворимости этих металлов во все более окисляющем океане. Такая датировка примерно совпадает с временем появления биогенных (образующихся за счет скопления скелетных частей или продуктов жизнедеятельности организмов) отложений молибдена.

Рис. 1. Относительная доля ферментов, связывающих кислород или использующих в качестве кофакторов различные переходные металлы, в разные геологические эпохи [8]. Числами в рамках обозначена доля (%) каждой группы ферментов в современное время (справа), на границе архея и протерозоя — 2,5 млрд лет назад (в середине) и во времена существования последнего универсального общего предка — 3,5 млрд лет назад. Например, 2,5 млрд лет назад 19,2% ферментов, использующих в качестве кофакторов переходные металлы, связывали марганец, что в 1,28 раза больше современных 15%

Другой вывод этой работы — увеличение доли ферментов, зависящих от никеля, — объяснить сложнее. Согласно одним геохимическим исследованиям, концентрация растворенного никеля увеличилась в 10 раз по сравнению с протерозоем, а в соответствии с другими, она достигла максимума уже в архее и с тех пор постепенно уменьшалась. Мы с коллегами проанализировали белки, кофакторы которых — кобальт и никель, очень схожие химически. Выяснилось, что в бактериях и археях такие белки распределены мозаично, а у эукариот их распространение очень ограниченно (при этом кобальт обычно не работает независимо, а входит в состав витамина В12) [9].

Самое же серьезное противоречие выводов Альма геохимическим представлениям состоит в следующем. Доступность железа должна уменьшаться по мере увеличения концентрации кислорода, а значит, доля ферментов, использующих этот металл, также должна сокращаться. Однако этого не происходит: она даже немного растет. Возможно, это вызвано эволюционной инерцией. Единовременно отказаться от большого количества железозависимых ферментов организмам было сложно, и вместо этого они развивали системы добывания и запасания железа — белок ферритин, сидерофоры (вещества, связывающие ионы железа для переноса внутрь клетки) и т. д. Альтернативным объяснением такой «неувязки» Альм считает то, что нерастворимость железа в современном океане искупается большим количеством этого металла, доступного в органической форме (видимо, запасенного в предыдущие эпохи). Кстати, увеличение общей доли ферментов, использующих для своей работы упомянутые металлы, произошло за счет резкого уменьшения доли ферментов, зависящих от марганца (см. рис. 1). К сожалению, авторы статьи не обсуждают этот факт.

Белки и температура Мирового океана

До сих пор мы обсуждали исследования, в которых по наборам белков, закодированных в различных геномах, реконструировали предковые последовательности. Однако можно восстановить и сами прародительские белки. Институт астробиологии Национального аэрокосмического агентства США изучает жизнь на других планетах. На тех из них, которые доступны для наблюдения, признаков жизни пока не обнаружили. Поэтому данная организация изучает жизнь на Земле в прошлые эпохи, когда наша планета очень сильно отличалась от той, на которой мы сейчас живем.

Работы группы Э. Гоше (E. Gaucher) из этого института основаны на хорошо известном факте: термостабильность и температурный оптимум (интервал, в котором проявляется наибольшая активность) фермента, выделенного из какого-либо организма, как правило, коррелируют с температурой, при которой тот живет. Гоше воспользовался тем, что современные методы реконструкции филогенетических деревьев восстанавливают не только родственные отношения между белками, но и аминокислотные последовательности, находящиеся во внутренних узлах дерева, т. е. последовательности предковых белков, а также позволяют оценить их возраст. Далее стандартными методами молекулярной биологии, зная последовательности, можно получить сами белки и измерить их температурный оптимум или температуру плавления (денатурации).

Исследователи работали с фактором элонгации трансляции EF-Tu (EF-1A) — очень консервативным белком, имеющимся у всех живых существ, от человека до кишечной палочки [10]. Ученые синтезировали предковые белки разного возраста, т. е. соответствующие различным внутренним узлам филогенетического дерева (рис. 2). Когда их температуру денатурации сопоставили с температурой Мирового океана в соответствующие моменты времени, которую геологи восстановили по соотношению изотопов кислорода в древних породах, графики практически совпали, что весьма поучительно (рис. 3).

Рис. 2. Два варианта филогенетического дерева семейства факторов элонгации трансляции EF-Tu [10]. Для предковых белков указана температура денатурации

Рис. 3. Температура Мирового океана (показана сплошными линиями) и температура денатурации предковых белков фактора элонгации трансляции EF-Tu (точки) в различные геологические эпохи [10]. Температура Мирового океана оценена по соотношению изотопов кислорода (двумя разными группами ученых — зеленаяи красная линии). Черными отрезкамиизображены доверительные интервалы для времени существования предковых белков

Эта же зарубежная группа реконструировала древние тиоредоксины — белки, участвующие в окислительно-восстановительных процессах. Оказалось, что химические механизмы соответствующей ферментативной реакции не изменились за миллиарды лет, отделяющие нас от родоначальника бактерий, прародителя архей и последнего общего предка архей и эукариот [11]. Как и в случае с фактором элонгации трансляции, эволюция тиоредоксинов сопровождалась приспособлением к изменениям температуры и кислотности Мирового океана.

Сопоставление геномов ныне живущих организмов, а также анализ ДНК, выделенной из палеонтологических находок, существенно меняют наши представления о биологической эволюции. Но геномика, как мы убедились на нескольких примерах, может успешно взаимодействовать и с такой, казалось бы, далекой от нее областью науки, как геология.

Автор: Михаил Гельфанд
Источник: «Природа» №12, 2015

Автор благодарен А. Ю. Мулкиджаняну за обсуждение и советы.
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (проект 14-24-00155).

Литература
1. Crick F. H. On protein synthesis // Symp. Soc. Exp. Biol. 1958. V. 12. P. 138–163.
2. Zuckerkandl E., Pauling L. Molecules as documents of evolutionary history // J. Theor. Biol. 1965. V. 8. P. 357–366. doi: 10.1016/0022-5193(65)90083-4.
3. Floudas D., Binder M., Riley R. et al. The Paleozoic origin of enzymatic lignin decomposition reconstructed from 31 fungal genomes // Science. 2012. V. 336. P. 1715–1719. doi: 10.1126/science.1221748.
4. Riley R., Salamov A. A., Brown D. W. et al. Extensive sampling of basidiomycete genomes demonstrates inadequacy of the white-rot / brown-rot paradigm for wood decay fungi // Proc. Natl. Acad. Sci. USA. 2014. V. 111. P. 9923–9928. doi: 10.1073/pnas.1400592111.
5. Xiong J., Fischer W. M., Inoue K. et al. Molecular evidence for the early evolution of photosynthesis // Science. 2000. V. 289. P. 1724–1730. doi: 10.1126/science.289.5485.1724.
6. Raymond J., Zhaxybayeva O., Gogarten J. P. et al. Whole-genome analysis of photosynthetic prokaryotes // Science. 2002. V. 298. P. 1616–1620. doi: 10.1126/science.1075558.
7. Nisbet E. G., Nisbet R. E. Methane, oxygen, photosynthesis, rubisco and the regulation of the air through time // Philos. Trans. R. Soc. Lond. B Biol. Sci. 2008. V. 363. P. 2745–2754. doi: 10.1098/rstb.2008.0057.
8. David L. A., Alm E. J. Rapid evolutionary innovation during an Archaean genetic expansion // Nature. 2011. V. 469. P. 93–96. doi: 10.1038/nature09649.
9. Zhang Y., Rodionov D. A., Gelfand M. S. et al. Comparative genomic analyses of nickel, cobalt and vitamin B12 utilization // BMC Genomics. 2009. V. 10. P. 78. doi: 10.1186/1471-2164-10-78.
10. Gaucher E. A., Govindarajan S., Ganesh O. K. Palaeotemperature trend for Precambrian life inferred from resurrected proteins // Nature. 2008. V. 451. P. 704–707. doi: 10.1038/nature06510.
11. Perez-Jimenez R., Ingl?s-Prieto A., Zhao Z. M. et al. Single-molecule paleoenzymology probes the chemistry of resurrected enzymes // Nat. Struct. Mol. Biol. 2011. V. 18. P. 592–596. doi: 10.1038/nsmb.2020.

Источник: m.vk.com

Комментарии: