Способность к сложному коллективному поведению может возникнуть благодаря единственной мутации
|
В экспериментах по искусственной эволюции удалось зарегистрировать мутацию, в результате которой бактерии Myxococcus xanthus приобрели сразу два полезных свойства: способность к сложному коллективному поведению (образованию плодовых тел) и защищенность от паразитов. Мутация состояла в замене одного нуклеотида в регуляторной области гена, предположительно участвующего в регуляции активности других генов.
Подавляющее большинство организмов, населяющих нашу планету, не могут существовать автономно: для выживания им необходимы другие живые существа. Связи между разными видами организмов сильно различаются по степени жесткости и детерминированности. Наиболее жесткие связи характерны для облигатных (обязательных) симбионтов и паразитов, которые не могут существовать без своих сожителей или хозяев, относящихся к другому или тому же самому виду.
Чрезвычайно широко распространен симбиоз (и такие связанные с ним явления, как альтруизм, самопожертвование и сложное коллективное поведение) в мире бактерий. Хотя генетика микроорганизмов очень активно изучается (полностью прочтены геномы многих сотен микробов), генетические и эволюционные механизмы становления (или исчезновения) подобных взаимосвязей остаются во многом загадочными.
Ученые из Института биологии развития им. Макса Планка (Тюбинген, Германия) на примере почвенной бактерии Myxococcus xanthus показали, что радикальные изменения коллективного поведения и межорганизменных взаимосвязей могут происходить в результате весьма незначительных модификаций генома.
Myxococcus — типичный представитель миксобактерий, прокариотических организмов, которых когда-то считали грибами и называли миксомицетами. Миксобактериям свойственно весьма сложное коллективное поведение. Например, они иногда собираются в большие скопления и устраивают коллективную «охоту» на других микробов. «Охотники» выделяют токсины, убивающие «добычу», а затем всасывают органические вещества, высвободившиеся при распаде погибших клеток.
Как и другие миксобактерии, Myxococcus при недостатке пищи образует плодовые тела, в которых часть бактерий превращается в споры. В виде спор микробы могут пережить голодные времена. Плодовое тело «собирается» из огромного множества индивидуальных бактериальных клеток. Создание такой крупной и сложной многоклеточной структуры требует слаженных действий миллионов отдельных бактерий, из которых лишь малая часть получает прямую выгоду, а все остальные, по сути дела, жертвуют собой ради общего блага. Дело в том, что лишь очень немногие из участников коллективного действа смогут превратиться в споры и передать свои гены следующим поколениям. Все остальные выступают в роли «стройматериала», обреченного умереть, не оставив потомства.
Человек — животное социальное, и поэтому альтруизм всегда вызывает у нас чувство бурного одобрения (по крайней мере на словах), но он, однако, имеет и оборотную сторону. Там, где много альтруистов, обязательно заводятся какие-нибудь жулики, обманщики и паразиты, которые рады поживиться за чужой счет, хотя сами ничем для других жертвовать не собираются. Среди миксококков такие обманщики тоже имеются: это генетические линии (или штаммы) миксококков, не способные к образованию собственных плодовых тел, но умеющие пристраиваться к «чужим» плодовым телам и образовывать там свои споры.
Один из таких штаммов (исследователи назвали его OC, от obligate cheater — «облигатный обманщик») не способен образовывать споры в монокультуре, однако он успешно внедряется в чужие плодовые тела и спорулирует там даже с большей эффективностью, чем «альтруистический» штамм-хозяин, построивший плодовое тело.
Ученые экспериментировали с этой системой «паразит—хозяин», выращивая смешанную культуру альтруистов и обманщиков попеременно то в «голодной», то в богатой питательными веществами среде и следя за колебаниями численности двух штаммов. Во время голодовок выжить могли только те бактерии, которым удалось превратиться в споры. В одном из опытов в штамме OC произошла мутация, в результате которой бактерии не только восстановили утраченную способность к самостоятельному (без «помощи» другого штамма) образованию плодовых тел и спор, но и получили дополнительное преимущество. По не вполне ясным причинам мутантные бактерии оказались защищены от «нахлебников» — представителей штамма ОС, своих прямых предков.
Возникший в результате мутации новый штамм получил условное название PX (от phoenix — «феникс»). Этот штамм появился и быстро размножился как раз тот момент, когда почти все бактерии в экспериментальной культуре (исходный «дикий» штамм и паразиты ОС) погибли. Деградация смешанной культуры была вызвана тем, что с каждым экспериментальным циклом доля паразитов неуклонно росла, и в конце концов альтруистов — представителей исходного «дикого» штамма — осталось слишком мало, чтобы обеспечить себя и других плодовыми телами.
Штамм PX, как выяснилось, побеждает в конкурентном соревновании и «диких» миксококков, и паразитов ОС. Он не нуждается для образования плодовых тел в других штаммах и защищен от паразитизма.
Генетический анализ исследованных штаммов показал, что PX отличается от своего прямого предка OC единственной мутацией — заменой нуклеотида в некодирующей (вероятно, регуляторной) области гена фермента ацетилтрансферазы. Всего в геноме миксококка более 30 генов различных ацетилтрансфераз (так называются ферменты, прикрепляющие к каким-либо молекулам ацетильную группу –CO–CH3), и конкретная функция той из них, ген которой изменился у штамма PX, неизвестна. Некоторые косвенные данные, однако, указывают на возможную регуляторную роль этого фермента. Не исключено, что он влияет на активность каких-то транскрипционных факторов — белков, регулирующих активность генов. Действительно, активность целого ряда генов у PX сильно изменилась по сравнению с OC.
Паразитический штамм ОС произошел от исходного «дикого» штамма в результате 14 мутаций, причем все они сохранились у PX. Таким образом, удивительная мутация, резко повысившая конкурентоспособность бактерий штамма PX, вовсе не была возвратом к исходному, предковому состоянию: это было настоящее эволюционное новообразование.
Данный пример еще раз подтверждает идею, которая в последнее время стала уже практически общепризнанной: небольшие изменения регуляторных генов могут приводить к крупным эволюционным преобразованиям, в том числе к появлению новых свойств и функций и к общему усложнению живой системы.
Источник: Francesca Fiegna, Yuen-Tsu N. Yu, Supriya V. Kadam, Gregory J. Velicer. Evolution of an obligate social cheater to a superior cooperator // Nature. 2006. V. 441. P. 310-314.
