Дрожжи Saccharomyces cerevisiae: желтые пятна — это след отпочковавшейся дочерней клетки. В эукариотической клетке дрожжей имеется 6704 гена, из них 2460 имеют прокариотическое происхождение. Среди «прокариотных» генов 952 — эубактериальные гомологи, а 216 — архейные гомологи. Фото с сайта www.microbiologyonline.org.uk Сравнение двух групп генов дрожжей —
унаследованных от архейных предков и от эубактериальных — выявило,
что по всем показателям гены архейных предков более значимы для
жизнеобеспечения клеток дрожжей. Ученые доказали, что более высокая значимость
архейных генов не зависит от их функций: и информационные гены (связанные с
переносом информации от ДНК к белкам), и операционные гены (связанные с
метаболизмом) архейного происхождения более важны для клетки, чем гены
эубактериального происхождения. Этот пример показывает, что эволюция вынуждена
не только приспосабливать организм к сиюминутной окружающей обстановке, но и
тащить в будущее историческое наследие вымерших поколений; свойства
предковых организмов проявляются даже и в работе генов.
Сейчас гипотеза о симбиотическом происхождении эукариот признана большинством биологов. Различаются
детали сценария происхождения эукариот: в какой очередности выступают эубактерии и архебактерии, кто из них играет заглавную роль и как
развиваются дальнейшие эволюционные события после объединения усилий этих двух
действующих лиц. Один из сюжетов предполагает, что архебактерии постепенно
приобретали типичные эукариотические признаки, а после, в придачу к
ним, получили удобного бактериального симбионта, взявшего на себя роль
клеточной энергетической станции — митохондрии или пластиды.
Во второй версии этой пьесы эубактериальный симбионт попадает а
архебактериальную клетку, и уже после их слияния клетка начинает приобретать
специфичные эукариотические признаки. Так или иначе, ядро эукариотической
клетки, помимо своих уникальных генов, содержит производные архебактериальных и
эубактериальных генов.
Джеймс Коттон и Джеймс Макинерни (James
O. McInerney) из Колледжа
Королевы Марии при Лондонском университете и Ирландского национального
университета в Мейнуте задались вопросом, какое из этих
наследий — архейное или бактериальное (эубактериальное) — более важно
для эукариотической клетки. Для ответа они использовали базу данных по генам
современных дрожжей — одноклеточного эукариотического организма, на
сегодняшний день досконально исследованного. В этой базе данных содержатся
сведения о функциях генов, которые были выяснены путем отключения (делеции)
того или иного гена. Можно ген изъять из генома и посмотреть, смогут ли клетки
без него обходиться. Если клетки без элиминированного гена умирают, то такая
делеция будет летальной, если же будут нормально размножаться, то делеция
считается нелетальной.
Эта база данных активно используется для различных
работ по генетике; в частности, на ее основе были выявлены функции вроде
бы неэкспрессирующихся нелетальных генов (см.: Зачем нужны «ненужные»
гены, «Элементы», 22.04.2008). Теперь английские генетики разделили гены
летальных и нелетальных делеций дрожжей на две группы — производные
архейных и эубактериальных генов. Естественно, третью группу составили
уникальные эукариотические гены, но не они интересовали исследователей.
Такая простая на первый взгляд группировка дала
неожиданные результаты. Среди архейных генов оказалось в 2,5 раза больше
летальных делеций, чем среди эубактериальных. Кроме того, экспрессия архейных
генов интенсивнее эубактериальных больше чем вдвое. Эти цифры статистически
значимы, и мы можем считать их вполне надежными. Конечно, хорошо известно, что
работа архейных и эубактериальных генов по существу различна. Архейная
группа генов по большей части занята работой с информацией — трансляцией,
транскрипцией и репликацией генов, а эубактериальная группа отвечает за метаболизм
клетки. Возможно ли, что различия в летальности делеций и уровне экспрессии
связаны данной функциональной значимостью для жизнеспособности клетки? Отключи
один из метаболических каскадов — вполне возможно, клетка воспользуется
имеющимся обходным путем или обойдется без конечного продукта синтеза. Если же
отключить одно из звеньев считывания информации, то клетка неминуемо погибнет.
Однако различия в летальности архейных и
эубактериальных делеций не зависят от области «работы» гена. Те архейные гены, которые
включены в метаболические каскады, также в среднем более летальны, чем
эубактериальные коллеги, и наоборот, эубактериальные участники информационной
деятельности менее важны для жизнеобеспечения, чем архейные представители.
Таким образом, стало ясно, что архейные гены
в клетках дрожжей играют более важную роль, чем эубактериальные, несмотря
на меньшее их численное представительство. Биография гена оказывается так же
значима для объяснения его жизненной важности (летальности), связей с другими
генами, уровня экспрессии и т. д., как и выполняемые им функции. Мы
видим, что эволюция вынуждена не только учитывать текущие нужды, порождаемые
окружающей обстановкой, но и нести исторический груз прошлых приспособлений.
Источник: James A. Cotton, James O. McInerney. Eukaryotic genes of archaebacterial origin are more important than the more numerous eubacterial genes, irrespective of function // PNAS. October 5, 2010. V. 107. P. 17252–17255.
|
