Скрытая изменчивость помогает приспосабливаться к новым условиям

Бактерия Azoarcus, в геноме которой есть самовырезающиеся интроны группы I. Фото из статьи van Schie, Young, 1998

Многие мутации не влияют на приспособленность организма и поэтому могут пассивно накапливаться в генофонде, формируя запас «скрытой изменчивости». Предполагается, что скрытая изменчивость помогает популяции выжить при изменении среды, потому что некоторые из накопившихся «бесполезных» мутаций могут оказаться полезными в новых условиях. Швейцарским биологам удалось подтвердить это предположение в экспериментах с молекулами РНК, эволюционирующими в пробирке. Популяции молекул, которым дали возможность накопить «скрытую изменчивость», приспособились к новой среде лучше и быстрее, чем контрольные популяции без скрытой изменчивости.

Живые существа, как правило, обладают высокой «помехоустойчивостью». Это значит, что многие случайные «помехи» (внутренние — мутации, или внешние — колебания условий среды) тем или иным способом компенсируются и не приводят к изменению фенотипа или снижению приспособленности. Естественный отбор поддерживает развитие адаптаций, повышающих устойчивость фенотипа к «помехам», в частности, к потенциально вредным мутациям. Примером такой адаптации могут служить белки-шапероны (см.: Когда вредных мутаций много, они не так вредны, «Элементы», 06.12.2005).

Помехоустойчивость ведет к тому, что в популяции свободно накапливаются мутации, которые до поры до времени не оказывают заметного влияния на приспособленность (остаются «нейтральными») или даже вовсе не проявляются в фенотипе. Но если какой-то из механизмов, обеспечивающих помехоустойчивость, выйдет из строя (из-за сильного внешнего воздействия или мутации в одном из генов, необходимых для работы этого механизма), вся эта накопленная скрытая изменчивость может внезапно «выйти наружу», и тогда в популяции произойдет всплеск видимой (явной) изменчивости (см.: Белок Hsp90 контролирует активность мобильных генетических элементов, «Элементы», 19.01.2010).

Предполагается, что скрытая изменчивость может играть важную роль в эволюции, помогая популяциям приспосабливаться к новым условиям. Некоторые мутации, бывшие нейтральными в прежних условиях, могут оказаться полезными при изменении среды. Чем больше таких мутаций накопилось в генофонде популяции, тем больше шансов, что хоть какие-то из них «пригодятся» в новых условиях.

Идея о положительном влиянии скрытой изменчивости на скорость приспособления к новым условиям выглядит правдоподобной и даже самоочевидной. У нее есть немало косвенных подтдверждений, включая результаты математического моделирования (Masel, 2006), но напрямую в строгом эволюционном эксперименте ее пока не проверяли.

Это удалось сделать швейцарским биохимикам, которые выбрали в качестве подопытного объекта не настоящие живые организмы, а квазиживую систему — популяцию размножающихся рибозимов (молекул РНК с каталитическими свойствами).

Авторы использовали хорошо изученный рибозим Azo, изготовленный из самовырезающегося интрона группы I (Group I catalytic intron) бактерии Azoarcus. Этот интрон-рибозим находится в гене изолейциновой тРНК-бактерии. Его функция в бактериальной клетке состоит в том, чтобы самостоятельно вырезать самого себя из молекулы тРНК, то есть осуществить само-сплайсинг (self-splicing). In vitro, то есть в пробирке, этот рибозим умеет осуществлять «обратный сплайсинг», то есть разрезать в определенном месте «субстрат» — короткую молекулу РНК с определенной последовательностью нуклеотидов, причем «обрезки» остаются прикрепленными к рибозиму. По этим прикрепленным обрезкам можно отличить рибозим, успешно выполнивший свою функцию, от рибозима-неудачника. Это позволяет осуществлять искусственный отбор рибозимов, благополучно разрезавших молекулу субстрата.

Авторы размножили исходный рибозим и создали две подопытные популяции (A и B). Эти популяции «жили» и размножались в течение 10 поколений. В каждом поколении проводился отбор на способность разрезать субстрат (короткую молекулу РНК). Те рибозимы, которым это удалось, отбирались и размножались при помощи мутагенной полимеразной цепной реакции (см. также Mutagenic PCR, PDF, 512 Кб). Скорость мутирования составляла в среднем одну мутацию на «особь» на поколение. Чтобы следить за эволюционными изменениями, авторы секвенировали по 2–3 тысячи «особей» (индивидуальных молекул рибозима) из каждого поколения.

Исследователи ожидали, что за 10 поколений такой жизни популяции приобретут значительный запас скрытой изменчивости. Рибозимы будут мутировать, вредные мутации отсеются отбором, а нейтральные накопятся. Известно, что исходный рибозим Azo справляется со своей функцией в очень широком спектре условий (например, он выдерживает нагревание до 80°C). Это говорит о высокой «помехоустойчивости» рибозима и позволяет надеяться, что к мутациям он окажется так же толерантен, как и к скачкам температуры.

Надежды оправдались: обе популяции за 10 поколений накопили изрядное количество мутаций. Исходных, немутантных, молекул «дикого типа» почти не осталось. Большинство особей отличались от исходного рибозима тремя-шестью мутациями.

Модифицированная нуклеиновая кислота с фосфоротиоатами вместо фосфатов. Рисунок с сайта genelink.com

Приспособленность популяций A и B (то есть их усредненная каталитическая активность) за 10 поколений практически не изменилась. Они не стали справляться со своей функцией лучше, чем исходный рибозим Azo. По-видимому, Azo уже был максимально оптимизирован для выполнения этой функции, и поэтому за 10 поколений эволюционирующим популяциям так и не удалось «найти» такую мутацию, которая бы сделала разрезание субстрата еще более эффективным. Ни одна из возникших мутаций не оказалась полезной и не была поддержана движущим отбором. Таким образом, в течение 10 поколений действовал только очищающий отбор, который отбраковывал «вредные» мутации, а нейтральные игнорировал, пассивно позволяя им накапливаться.

Теперь можно было проверить самое главное: поможет ли накопленная скрытая изменчивость приспособиться к новым условиям. «Новые условия» состояли в том, что исследователи заменили субстрат. Вместо стандартного олигонуклеотида они предложили рибозимам его производное, в котором один из остатков фосфорной кислоты (расположенный как раз в том месте, где рибозим должен разрезать цепочку РНК) был заменен на фосфоротиоат. «Дикий» рибозим Azo справляется с таким субстратом, но с очень большим трудом (с низкой эффективностью).

После смены субстрата эволюционный эксперимент продолжался еще 8 поколений, но теперь в нём участвовали уже не две, а три популяции. К прошедшим 10 поколений искусственной эволюции линиям A и B добавилась третья, контрольная линия, состоящая из рибозимов «дикого типа» (WT) и не имеющая запаса скрытой изменчивости.

Все три популяции за 8 поколений в той или иной степени «приспособились» к новому субстрату, то есть стали разрезать его эффективнее, чем вначале. Однако популяции A и B приспосабливались быстрее и достигли в итоге большей эффективности, чем линия WT (см. рисунок).

Приспособление популяций A (красные кружки), B (синие) и WT (черные) к новому субстрату. По горизонтальной оси — поколения, по вертикальной — приспособленность, измеряемая долей рибозимов, которым удалось разрезать субстрат. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Секвенируя рибозимы последнего поколения, авторы обнаружили, что в популяции A наибольшей численности достиг рибозим-мутант с семью точечными мутациями, получивший название AzoΔ. В популяции B победителем эволюционного соревнования оказался другой мутант — Azo*, у которого обнаружились четыре точечные мутации. Все мутации у двух «чемпионов» оказались разными.

Рибозим Azo*, как показали дальнейшие экспеперименты, действительно разрезает новый субстрат с очень высокой эффективностью. Что же касается рибозима AzoΔ, то в чистом виде он, к удивлению ученых, вообще не смог справиться с новым субстратом. Оказалось, что это своеобразный рибозим-«прихлебатель»: он прекрасно режет новый субстрат только в присутствии других рибозимов (например, исходного или Azo*). Вероятно, другие рибозимы каким-то образом помогают ему свернуться в правильную трехмерную конфигурацию. Подобные ситуации ранее уже были зарегистрированы в экспериментах с рибозимами.

Что касается линии WT, то в ней за 8 поколений так и не появились высокоэффективные мутанты, сравнимые с Azo* или AzoΔ.

Авторы также выяснили, каким образом накопленная скрытая изменчивость помогла популяции B произвести удачливого мутанта Azo*. Оказалось, что после 10 поколений очищающего отбора в популяции уже были рибозимы с одной, двумя и даже тремя мутациями из четырех, составляющих генотип Azo*. Эти мутации по отдельности не дают никакого преимущества ни в старых, ни в новых условиях. Для эффективного разрезания нового субстрата нужны все четыре мутации вместе. Понятно, что наличие у некоторых рибозимов в популяции B отдельных мутаций из этого комплекса резко повысило вероятность возникновения удачного генотипа Azo*.

Исследование наглядно продемонстрировало потенциальную полезность скрытой изменчивости для быстрой адаптации к новым условиям. Чтобы скрытая изменчивость могла накопиться, эволюционирующие организмы должны быть помехоустойчивыми. Если бы исходный рибозим не обладал этим свойством, подавляющее большинство мутаций были бы для него в нормальных условиях вредными. Очищающий отбор безжалостно бы их отсеивал, и при смене условий в популяции не оказалось бы особей, «преадаптированных» к новому субстрату.

Источник: Eric J. Hayden, Evandro Ferrada, Andreas Wagner. Cryptic genetic variation promotes rapid evolutionary adaptation in an RNA enzyme // Nature. 2011. V. 474. P. 92–95.

См. также:
1) Эволюция под управлением компьютера, «Элементы», 12.04.2008.
2) Рибозимы могут размножать друг друга, «Элементы», 13.04.2011.
3) Теплолюбивая бактерия помогает понять происхождение интронов, «Элементы», 28.06.2010.

Александр Марков