Пути эволюции предопределены на молекулярном уровне
|
На примере приспособления бактерий к антибиотикам удалось показать, что дарвиновская эволюция может использовать лишь очень малую часть из множества теоретически возможных путей достижения цели. Каждая отдельная мутация должна повышать приспособленность, иначе она будет отсеяна отбором. При этом положительный или отрицательный эффект многих мутаций зависит от того, какие мутации уже успели зафиксироваться ранее. Ограниченность числа допустимых «мутационных траекторий» делает эволюцию предопределенным и предсказуемым процессом.
Раньше эволюционисты уделяли много внимания проблеме параллелизмов, то есть независимого появления сходных признаков в разных группах. Сформулированный Н. И. Вавиловым «Закон гомологических рядов в наследственной изменчивости» позволил связать это явление с закономерностями внутривидовой изменчивости (у близких видов встречаются одинаковые вариации — например, у большинства злаков есть остистые и безостые формы). Палеонтология дает много ярких примеров схожести путей эволюции в разных группах, развивавшихся параллельно.
В наши дни подобные «эмпирические обобщения» вышли из моды. Бурное развитие молекулярной биологии привело к тому, что многие важные биологические закономерности, изучавшиеся учеными прошлых поколений, оказались как бы за рамками «настоящей серьезной науки» просто потому, что их пока не удается объяснить на молекулярном уровне.
Поэтому предпринятая учеными из Гарвардского университета попытка найти молекулярные основы канализированности (ограниченности возможных путей) и повторяемости эволюции имеет большое теоретическое значение. В качестве модели исследователи выбрали адаптацию бактерий к антибиотикам — сравнительно простой эволюционный процесс, высоко детерминированный и повторяемый и к тому же имеющий большое практическое значение.
Как известно, бактерии приспосабливаются к антибиотикам из группы бета-лактамов (к ним относится, в частности, пенициллин) благодаря изменениям (мутациям) гена, кодирующего фермент бета-лактамазу. Предполагается, что мутации возникают случайно, причем вредные мутации отсеиваются отбором, а полезные закрепляются.
В ходе адаптации бактерий к цефотаксиму — антибиотику третьего поколения из группы бета-лактамов — в исходный вариант гена бета-лактамазы («дикий тип») вносится пять вполне конкретных мутаций, в результате чего устойчивость к антибиотику возрастает в 100 000 раз. Но такой эффект дают только все пять мутаций вместе. Понятно, что одновременное появление сразу пяти «нужных» мутаций невероятно: они должны появляться и фиксироваться последовательно, одна за другой. Значит, на пути к конечной цели организм должен пройти через четыре промежуточных состояния. Если хотя бы одно из них окажется менее выгодным, чем предыдущее, оно просто не будет закреплено отбором, и конечная цель не будет достигнута.
Теоретически существует 5! = 120 различных траекторий движения от исходного состояния («дикий тип», – – – – –) к конечному (высокая устойчивость к цефотаксиму, + + + + +). Число возможных промежуточных состояний равно тридцати (– – – – +, – – – + –, – – – + + и т. д.). Исследователи сконструировали все тридцать промежуточных вариантов гена бета-лактамазы, ввели их в кишечную палочку (Escherichia coli) и измерили устойчивость к цефотаксиму. Картина получилась довольно сложная.
Совокупный эффект комплекса из 2, 3 или 4 мутаций, как выяснилось, ничего общего не имеет с простым суммированием эффектов тех же мутаций, взятых по отдельности. В некоторых случаях природу взаимодействия мутаций друг с другом удалось расшифровать. Например, одна из пяти мутаций сама по себе не увеличивает, а снижает устойчивость к антибиотику (гидролиз цефотаксима происходит медленнее), однако она повышает термодинамическую стабильность фермента. Другая мутация ускоряет гидролиз цефотаксима, но снижает термодинамическую стабильность, и поэтому в целом лишь незначительно повышает устойчивость к антибиотику. Однако двойной мутант имеет резко повышенную устойчивость, поскольку его бета-лактамаза за счет второй мутации эффективно гидролизует цефотаксим, а за счет первой — не теряет термодинамическую стабильность. Понятно, что в ходе адаптации (в условиях жесткого отбора на устойчивость к цефотаксиму) первая из этих мутаций может быть зафиксирована лишь после второй.
Оказалось, что из 120 теоретически возможных путей последовательного приобретения пяти мутаций большинство (102) вообще не могут реализоваться, так как требуют на каком-то этапе временного снижения приспособленности (авторы рассматривали упрощенную теоретическую модель, в которой единственным критерием приспособленности является устойчивость к цефотаксиму). Оставшиеся 18 путей очень сильно различаются по вероятности своей реализации. Расчеты показали, что в 99% случаев эволюция «выберет» один из 10, а в 50% случаев — один из двух наиболее вероятных путей.
Таким образом, природа может реализовать лишь очень небольшую часть из общего числа теоретически существующих путей «из точки А в точку Б». Авторы полагают, что обнаруженное ими правило должно распространяться и на эволюцию других белков. Это означает, что молекулярной эволюции свойственна высокая повторяемость: разные организмы должны независимо друг от друга двигаться по одним и тем же «разрешенным» эволюционным траекториям. Авторы не исключают, что аналогичные ограничения (в том числе связанные с меж- и внутримолекулярными взаимодействиями) могут направлять и «канализировать» дарвиновскую эволюцию и на более высоких уровнях организации живого.
Источник: Daniel M. Weinreich, Nigel F. Delaney, Mark A. DePristo, Daniel L. Hartl. Darwinian Evolution Can Follow Only Very Few Mutational Paths to Fitter Proteins // Science. 2006. V. 312. P. 111-114.
Полный текст статьи см. здесь (PDF, 186 Кб).
