Об эволюции многокомпонентных генетических систем

Бактерии обладают только частью генов, обеспечивающих все необходимые для движения функции. Недостающие функции они «заимствуют» от эукариотической клетки-хозяина. Нужно сказать, что заимствовать есть, что. Процесс нуклеации, полимеризации и сшивания актина требует активности десятков белков и, соответственно, кодирующих их генов. Следует отметить, что бактерии разных видов «перехватывают» энзиматические активности эукариотических каскадов на разных этапах. Это значит, что бактерии каждого вида эволюционировали независимо и конвергентно с целью использовать генетические детерминанты эукариотических клеток-хозяев. Остаётся очевидным, что у бактерий, и, тем более, у эукариотических клеток способность к движению детерминирована многими генами (см. 16).

Когда мы говорим о многокомпонентных системах (где количество компонентов равно двум или более), возникает вопрос об их эволюционном происхождении. В данной работе в качестве таких систем были представлены система ограничения ассимиляции чужеродной ДНК – CRISPR-cas и система, обеспечивающая движение бактерий – ActA-VASP/профилин. Ранее рассматривались многокомпонентные бактериальные системы, обеспечивающие антигенную вариабельность и сайт-специфические рекомбинационные процессы (1, 2). Понятно, что когда речь идёт об эволюционном происхождении многих генов, которые в будущем должны составить систему, требуемые для образования системы временные рамки многократно расширяются. Вероятно, они должны измеряться как минимум миллионами лет. То есть, со времени возникновения первого гена, как компонента системы, до формирования всей системы в целом должен пройти геологический отрезок времени. В наше время многокомпонентные системы наследуются в виде модулей т.е. en bloc, чему способствует сцепленность генов, кодирующих соответствующие компоненты. Если бы эти гены не были сцеплены, то для того, чтобы собрать всю систему (например, при горизонтальном переносе) потребовалось бы переносить каждый ген отдельно. Скорее всего, вероятность сборки многокомпонентной системы в одном реципиенте в этом случае была бы близкой к нулю. Хотелось бы понять, как такие системы могли возникнуть изначально. В этом случае проблема усложняется, так как перед тем, как быть собранными, соответствующие гены должны были быть образованы и закреплены отбором по отдельности, поскольку все вместе они образоваться не могли. Ведь согласно СТЭ в геномах должны сохраняться только те детерминанты, которые кодируют признаки, поддерживаемые естественным отбором. Первый, второй и следующий гены и другие модули будущей системы до тех пор, пока не сформировалась вся система в целом, не должны быть востребованы, а значит, согласно СТЭ, должны быть удалены из генома «за ненадобностью». Видимо, этого не происходит. Единственный выход из сложного положения состоит в том, что ещё до включения в многокомпонентную систему каждый её будущий член выполнял какую-то полезную функцию. Хотя именно этот аргумент используется большинством коллег, сторонников СТЭ, мне он представляется неубедительным до тех пор, пока не будет твёрдо доказан для каждого из многих генов и других модулей, составляющих ту или иную многокомпонентную систему.

 

Заключение.

Только в последнее время в официальной научной печати стали появляться признания того, что мы не знаем, как исходно могли появиться гены (29).

Нам понятно, что путём дупликаций (и последующих изменений одной из копий) «своих» генов можно создать что-то новое, но на старой основе. Нам понятно, что гены, перенесённые горизонтально, могут обогатить геном реципиента. Но это не новые гены. Это уже существовавшие гены.

Сейчас мы твердо знаем, что не существует фундаментального генетического процесса, который так или иначе, не обеспечивался бы повторами. Более того, мы видим, что не только онтогенез, но и эволюционные изменения происходят благодаря повторам. И, наконец, мы видим, что те гены, которые должны быть самыми стабильными в силу своей значимости, на самом деле, буквально «напичканы» повторами «на всякий случай». Предположительно такими случаями являются те или иные условия стресса. Конечно, это положение не могло сложиться случайно, однако, остаётся непонятным, на что ориентирован естественный отбор, сохраняющий повторы в «мирный период». Скорее всего, общепринятый естественный отбор в данном случае вообще не играет роли, поскольку применительно к некодирующим повторам нет фенотипического признака, который можно отбирать с помощью условий внешней среды. Я думаю, что распределение повторов в геномах зависит от нуклеотидного контекста и в то же время определяет будущий контекст геномов (2). Очевидным остаётся то, что в определённых сайтах определённых геномов присутствуют определённые повторы, которые могут изменять свою кратность и позицию в геноме. Именно эти параметры наличия и распределения повторов и определяют функционирование геномов.

На основании изложенных материалов можно заключить, что повторяющиеся последовательности обеспечивают две сущности геномов.

Первая и относительно хорошо изученная определяет функционирование генома в течение всего жизненного цикла любой клетки. Здесь повторы детерминируют регуляцию активности отдельных генов и ход генетических процессов, таких как репликация, транскрипция, трансляция. Эти процессы происходят по заданному плану, регулярно, в течение каждого клеточного цикла. При нормальных условиях существования вероятность таких событий 100%. Повторы, обеспечивающие регуляцию, создают функциональный «портрет» генома на данный момент.

Вторая сущность геномов изучена мало. Здесь повторы детерминируют вероятность рекомбинации и делеций-дупликаций при проскальзывании репликации. При этом речь идёт обо всех известных видах рекомбинационных событий – гомологичной, незаконной, сайт-специфической рекомбинациях. В основном, это межгенные прямые повторы. Однако в случаях сайт-специфической рекомбинации в большинстве случаев работают инвертированные повторы. Повторы, обеспечивающие рекомбинацию, детерминируют структуры вероятных геномов, которые могут с неопределённой вероятностью образоваться в будущем. Эти геномные «портреты» не очевидны, так как расположены в будущем и вероятности их образования определяются многочисленными свойствами повторов.

Таким образом, с помощью повторов в геноме детерминированы его действующая в данный момент сущность и вероятный будущий «портрет».

Благодарность. За интерес, проявленный к работе, и ценные замечания автор приносит глубокую благодарность М.С. Покровской, В.Ю. Литвину, В.Л. Мотину и Р. Нудельману.

 

Литература

 

1. Смирнов Г.Б. //ВНИИМИ. Медицина и здравоохранение,сер. Эпидемиология, вирусология и инфекционные заболевания. - Вып. 3, М.- 1988- С.1.

 

1. Смирнов Г.Б. // Успехи современной биологии – 2008 – Т 128, №1 – С. 52-76.

 

1. Achaz G., Rocha E. P. C., Netter P. and Coissac E. // Nucleic Acids Research – 2002- Vol. 30, N. 13 - P. 2987-2994.

1. Aras R. A., Kang J., Tschumi A. I., et al. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA – 2003 - Vol. 100, N. 23 – P. 13579-13584.

 

 

1. Bi, X. and Liu, L.F. // Prog. Nucleic Acid Res. Mol. Biol. – 1996 – V. 54 – P. 253–292.

 

 

1. Barrangou R., Fremaux C, Deveau H., et al. // Science – 2007- N. 315 – P. 1709-1712.

 

1. Brinig M. M., Cummings C. A., Sanden G. N., et al. // Journal of Bacteriology – 2006 - Vol. 188, N. 7 - P. 2375-2382.

 

1. Chédin, F., Dervyn, E., Ehrlich, S.D., and Noirot, P.// Mol. Microbiol. – 1994 - N 12 - P. 561–569.
2. Claverie J.M, and Ogata H. // Trends Biochem Sci. – 2003 – Vol.28, N.2 – P. 75-80.

10. Cole S. T.,. Eiglmeier K, Parkhill J., et al. // Nature – 2001 – N. 409 - P. 1007-1011.

1. Davidsen T., Rødland E.A., Lagesen K., et al. // Nucleic Acids Research – 2004 - Vol. 32, N. 3 – P. 1050-1058.
2. De Bolle, X., Bayliss, C.D., Field, D., et al. // Mol. Microbiol. 2000. 35: 211 –222.
3. Deitsch, K.W., Moxon, E.R., and Wellems, T.E. // Microbiol. Mol. Biol. Rev. – 1997 - Vol.61 - P. 281–293.
4. Eckert, K.A. and Yan, G. // Nucleic Acids Res. – 2000 – Vol. 28 – P. 2831–2838.

 

1. Fetherson J.D., Schuetze P., and Perry R.D.// Molec. Microbiol. – 1992 – Vol. 6 – P. 2693-2704.

 

1. Goldberg M. B. // Microbiology and Molecular Biology Reviews - 2001 - Vol. 65, N. 4 P. 595-626.

 

1. Ishino Y., Shinagawa H., Makino K., et al. // J. Bacteriol. – 1987 –Vol. 169, N12 – P. 5429–5433.

 

1. Jansen, R., van Embden, J.D., Gaastra, W., and Schouls, L.M.//OMICS - 2002 - Vol. 6 – P. 23–33.
2. Jansen R., Embden J.D., Gaastra W., and Schouls L.M.//Mol Microbiol. – 2002 – Vol. 43, N6 – P. 1565-75.
3. Koonin E. V; Wolf Y.I. // Nucleic acids research – 2008 – Vol.36, N21 – P. 6688-6719.

 

1. Levinson, G. and Gutman, G.A.. //Mol. Biol. Evol. - 1987 – Vol. 4 – P. 203–221.

 

22. Lovett, S.T., Gluckman, T.J., Simon, P.J., et al.. // Mol. Gen. Genet. - 1994 – Vol. 245 – P. 294–300.

 

23. Mahillon, J. and Chandler M. // Microbiology and Molecular Biology Reviews. – 1998 - Vol. 62, N. 3 – P. 725-774.

 

1. Maniloff, J. // Proc. Natl. Acad. Sci. USA - 1996 – Vol. 93 – P. 10004–10006.
2. Marraffini L.A, and Sontheimer E.J. // Science. - 2008 – Vol. 19, N.322 (5909) – P. 1843-1854.
3. Mojica F. J. M., Díez-Villaseñor C., García-Martínez J and Almendros C. // Microbiology - 2009 – Vol. 155 – P. 733-740.
4. Nierman, W. C., De D. Shazer, H. S. Kim, et al. Proc. Natl. Acad. Sci. USA - 2004 - Vol. 101 – P. 14246-14251.
5. Ogata H, Audic S, Abergel C, et al. // Genome Res. – 2002 – Vol. 12 – P. 808-816.
6. Ogata H., Suhre K. and Claverie J.-M. // TRENDS in Microbiology - 2005 - Vol.13, N.6 – P. 253-254.
7. Peeters, B.P., de Boer, J.H., Bron, S., and Venema, G. // Mol. Gen. Genet. – 1988 Vol. 212 – P. 450–458.

 

1. Pierce, J.C., Kong, D., and Masker, W. // Nucleic Acids Res. – 1991 – Vol. 19 – P. 3901–3905.

1. Rocha E. P. C. and Blanchard A. // Nucleic Acids Research. – 2002 - Vol. 30, N. 9 – P. 2031-2042.
2. Rocha E.P.C. // Genome Res. - 2003 – Vol. 13 – P. 1123-1132.
3. Rocha E. P. C., Matic I., and Taddei F. // Nucleic Acids Res. - 2002 – Vol. 30, N.9 – P. 1886–1894.

1. Rocha Е.P.C., Danchin A., and Viari A.// Molec. Biol. And Evolution. – 1999 – Vol. 16, N.9 – P. 1219-1230.

 

1. Romero, D. and Palacios R. // Annu. Rev. Genet. – 1997 – Vol. 31 – P. 91-111.

 

1. Roth, J. R., Benson N., Galitski T., et al. // In Escherichia coli and Salmonella: Cellular and Molecular Biology, edited by R. C. H. Neinhardt, J. L. Ingraham, E. C. C. Lin, K. Brooks Low, B. Magasanik et al. ASM Press, Washington, DC. – 1996 – P. 2256–2276.

 

1. Smith, G. R. // Microbiol. Rev. – 1988 – Vol. – 52 - P. 1-28.

 

1. Smith G. A., Theriot J. A., and Portnoy D. A. // The Journalof Cell Biology. - 1996 – Vol.135, N. 3 – P. 647-660.
2. Sorek R, Kunin V, Hugenholtz P. // Nat Rev Microbiol. – 2008 – P. 6, N.3 – P.181-186.
3. Tobes R., and Pareja E. // BMC Genomics – 2006 – Vol. 7 – P.62.

 

1. Trinh T.Q. and Sinden, R.R. // Nature – 1991 – Vol. 352 – P. 544–547.

 

1. Trivedi S. // Genet. Mol. Res. – 2006 – Vol. 5, N.4 – P. 741-772.
2. van Belkum, A., Scherer, S., van Alphen, L., and Verbrugh. H. // Microbiol. Mol. Biol. Rev. – 1998 – Vol.62, N.2 – P. 275–293.
3. Waters E.,M.J., Hohn I., Ahel D.E., et al. // Proc. Natl.Acad. Sci. U S A. – 2003 - Vol.100 - P.12984-12988.

46. Woese С. R.// Microbiol Rev. – 1987 - Vol. 51, N 2 - P. 221—271.