Дрожжи занимаются сексом не от хорошей жизни

Рис. 1. Жизненный цикл дрожжей Saccharomyces cerevisae. Изображение с сайта upload.wikimedia.org

Эволюционные эксперименты, проведенные новозеландскими биологами, показали, что половое размножение не дает дрожжам преимуществ в стабильных благоприятных условиях, зато помогает адаптироваться к неблагоприятным (стрессовым) ситуациям. Увеличение темпа мутирования в 10 раз в благоприятных условиях не влияет на эволюцию дрожжей, в неблагоприятных — оказывается губительным для популяций, лишенных способности к половому размножению. Полученные результаты показывают, что половое размножение способствует одновременно и накоплению полезных мутаций, и отбраковке вредных.

Вопрос о том, почему большинство живых существ предпочитает «дорогостоящее» половое размножение бесполому, — одна из любимых головоломок эволюционистов-теоретиков (см. ссылки внизу). В общем виде эта задача была решена, по-видимому, еще Августом Вейсманом в конце XIX века (A. Weismann, 1889. The significance of sexual reproduction in the theory of natural selection, PDF, 2,8 Мб). Вейсман предположил, что секс увеличивает разнообразие потомства, тем самым повышая эффективность отбора, что позволяет организмам быстрее адаптироваться.

Сегодня, по прошествии века с четвертью, можно уверенно сказать, что гипотеза Вейсмана, при всей ее расплывчатости, в целом подтвердилась. Однако попытки ее конкретизировать породили новые проблемы. Появилось несколько конкурирующих теорий, которые по-разному оценивают влияние полового размножения на эффективность разных форм отбора. Одни модели, восходящие к идеям Рональда Фишера и Германа Мёллера, видят в сексе прежде всего способ ускоренного накопления полезных мутаций (повышение эффективности положительного отбора). Другие, разработанные тем же Мёллером и Алексеем Кондрашовым, подчеркивают роль секса в отбраковке вредных мутаций (отрицательный отбор).

Поставить эксперимент, который позволил бы разделить эти два эффекта, трудно, потому что мы не умеем напрямую регулировать соотношение полезных и вредных мутаций у подопытных организмов. Можно, однако, регулировать его косвенно, меняя степень благоприятности условий среды. «Благоприятность» означает, что организмы очень хорошо приспособлены именно к такой среде, все их гены подогнаны к ней оптимальным образом. Поэтому в идеальных условиях вероятность появления полезных мутаций будет минимальной. В неблагоприятной среде частота полезных мутаций должна быть выше (случайные перемены с большей вероятностью пойдут на пользу организму, если ему живется плохо). Что касается вредных мутаций, то они в обоих случаях должны возникать намного чаще, чем полезные. Однако их средняя «вредность», скорее всего, будет меньше, если условия благоприятны. Дело в том, что у организмов, как правило, есть большой запас прочности. Например, у дрожжей из 6000 генов только 1000 абсолютно необходимы для выживания в идеальных условиях, а все остальные нужны для борьбы с разного рода трудностями, то есть для жизни в неоптимальной среде (см. Зачем нужны «ненужные» гены, «Элементы», 22.04.2008). Ясно, что мутации, нарушающие работу этих «дополнительных» генов, будут в среднем более вредными в стрессовых условиях, чем в оптимальных.

Все эти соображения были учтены Джереми Греем (Jeremy Gray) и Мэттью Годдардом (Matthew Goddard) из Оклендского университета (Новая Зеландия) при планировании эволюционного эксперимента, в ходе которого они попытались сравнить влияние полового размножения на эффективность положительного и отрицательного отбора.

В эксперименте использовались линии дрожжей, различающиеся по скорости мутирования и по способности к половому процессу. Наряду с обычными, «дикими» дрожжами, у которых средняя частота мутирования составляет 6,9·10^–8 мутаций на пару нуклеотидов за поколение (в геноме дрожжей 1,2·10⁷ пар нуклеотидов), использовались дрожжи с удаленным геном MSH2. Этот ген участвует в исправлении ошибок в ДНК, поэтому его удаление привело к десятикратному ускорению мутагенеза — до 7,3·10^–7 мутаций на пару нуклеотидов за поколение.

Чтобы лишить часть подопытных линий способности к сексу, авторы удалили у них два гена (SPO11 и SPO13), необходимых для мейоза. В результате получились «бесполые» дрожжи, не отличающиеся от обычных ни по скорости размножения, ни по другим существенным характеристикам, кроме способности к половому процессу. Дрожжи размножаются бесполым путем (почкованием), пока им хватает пищи. Голодание стимулирует мейоз, в результате которого диплоидная дрожжевая клетка превращается в четыре гаплоидные споры (рис. 1). Гаплоидные клетки подразделяются на два пола (a и α). Разнополые клетки сливаются попарно, образуя диплоидную зиготу, после чего цикл повторяется. Генно-модифицированные бесполые дрожжи при голодании тоже пытаются превратиться в споры, но вместо четырех гаплоидных спор у них получаются две диплоидные, вполне жизнеспособные и не нуждающиеся в слиянии с кем бы то ни было.

Всего, таким образом, авторы получили дрожжевые клетки четырех типов:
    1) Способные к половому размножению, с низкой скоростью мутирования.
    2) Способные к половому размножению, с высокой скоростью мутирования.
    3) Бесполые, с низкой скоростью мутирования.
    4) Бесполые, с высокой скоростью мутирования.

Половину подопытных популяций выращивали в благоприятных условиях (при температуре 30°C в несоленой среде), остальные поместили в стрессовые условия (37°C, 1,17% NaCl). В общей сложности в эксперименте приняли участие 24 подопытные популяции: по три популяции каждого из четырех типов эволюционировали в благоприятных и столько же — в стрессовых условиях. Эксперимент продолжался в течение 300 бесполых поколений, между которыми были равномерно распределены 11 раундов полового размножения. Все популяции одновременно подвергались голоданию, что стимулировало образование гаплоидных спор у обычных дрожжей и диплоидных — у бесполых.

В ходе эксперимента авторы следили за тем, как меняется приспособленность дрожжей по сравнению с предковым штаммом. Для этого подопытные дрожжи смешивали с предками в пропорции 1:1 и измеряли относительную скорость размножения эволюционировавшей популяции.

В благоприятных условиях ни способность к половому размножению, ни скорость мутагенеза не повлияли на ход эволюции. Приспособленность дрожжей всех четырех типов лишь слабо колебалась и спустя 300 поколений осталась на исходном уровне (рис. 2).

Это значит, что полезные мутации, по-видимому, почти не возникали (как и следовало ожидать в благоприятных условиях), и положительному отбору нечего было поддерживать. Результат соответствует общепринятому мнению, что в оптимальных условиях отрицательный (стабилизирующий) отбор преобладает над положительным (движущим). Скорость мутирования, даже искусственно повышенная, вероятно, оказалась всё же недостаточной, чтобы вызвать генетическое вырождение (снижение приспособленности) за 300 поколений.

Рис. 2. Эволюция четырех разновидностей дрожжей в благоприятных условиях. По вертикальной оси — относительная приспособленность (по сравнению с предковым штаммом), по горизонтальной — поколения. Черная линия (Sex WT) — популяции с нормальной скоростью мутирования, способные к половому размножению; зеленая (Sex mutator) — с повышенной скоростью мутирования, способные к половому размножению; красная (Asex WT) — с нормальной скоростью мутирования, бесполые; синяя (Asex mutator) — с повышенной скоростью мутирования, бесполые. Изображение из обсуждаемой статьи в BMC Evolutionary biology

В неблагоприятных условиях картина получилась совсем другая (рис. 3). Приспособленность популяций испытывала резкие хаотические колебания, причину которых авторы не смогли внятно объяснить (что несколько снижает достоверность полученных результатов и их интерпретаций). На фоне этих скачков наблюдался общий рост приспособленности у дрожжей, способных к половому размножению, — как у обычных, так и у «мутаторов». У бесполых дрожжей с низкой скоростью мутирования рост приспособленности был выражен намного слабее. Что же касается бесполых линий с повышенной скоростью мутирования, то их приспособленность, начиная примерно с середины эксперимента (150‑го поколения), устойчиво снижалась: началось генетическое вырождение.

Рис. 3. Эволюция четырех разновидностей дрожжей в неблагоприятных условиях. Обозначения как на рис. 2. Изображение из обсуждаемой статьи в BMC Evolutionary biology

Рост приспособленности в череде поколений свидетельствует о накоплении полезных мутаций. Очевидно, в неблагоприятных условиях случайные мутации действительно оказываются полезными чаще, чем в оптимальных. Эксперимент подтвердил, что половое размножение повышает эффективность положительного отбора, помогая накапливать полезные мутации. Это видно из того, что обычные дрожжи приспособились к стрессовым условиям лучше, чем бесполые (черная и зеленая пунктирные линии на рис. 3 проходят выше, чем красная и синяя).

То, что в неблагоприятных условиях у бесполых дрожжей-мутаторов началось вырождение, говорит о том, что в такой ситуации отрицательный отбор уже не мог справиться с отбраковкой вредных мутаций, и они начали накапливаться. Тем временем точно такие же дрожжи, но только способные к половому размножению, в таких же условиях быстро повышали свою приспособленность. Из этого следует, что в неблагоприятных условиях важную роль играют обе формы отбора, причем половое размножение повышает эффективность обеих.

Этот вывод совпадает с результатами недавних экспериментов на червях C. elegans, в которых тоже было показано, что половое размножение одновременно способствует и отбраковке вредных мутаций, и накоплению полезных (см. Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009). Скорее всего, эти два эффекта взаимосвязаны, и их не следует противопоставлять друг другу, как это пытались делать многие теоретики. Половой процесс перетасовывает гены, позволяя отбору «отделять зерна от плевел» — распространять гены с полезными мутациями, одновременно избавляясь от генов с мутациями вредными. Это две стороны одной медали, и какая из них окажется более важной в данном месте и в данное время, может зависеть от многих факторов, включая темп мутагенеза и благоприятность условий.

Если предложенные авторами интерпретации верны, то отсутствие вырождения у бесполых дрожжей-мутаторов в благоприятных условиях объясняется только тем, что мутагенез у них был ускорен недостаточно сильно. Можно ожидать, что при дальнейшем ускорении мутагенеза бесполые дрожжи будут вырождаться и в оптимальных условиях, в то время как дрожжи, способные к сексу, при том же темпе мутирования вырождаться не будут. Проверка этого предсказания могла бы повысить достоверность выводов, сделанных авторами.

Источник: Jeremy C. Gray, Matthew R. Goddard. Sex enhances adaptation by unlinking beneficial from detrimental mutations in experimental yeast populations // BMC Evolutionary biology. 2012. V. 12. P. 43.

См. также:
1) Опыты на червях доказали, что самцы — вещь полезная, «Элементы», 23.10.2009.
2) Польза самцов доказана экспериментально, «Элементы», 18.07.2011.
3) Разнообразная среда способствует половому размножению, однообразная — бесполому, «Элементы», 15.11.2010.
4) В эволюции бактерий горизонтальный генетический обмен играет ту же роль, что и половое размножение у высших организмов, «Элементы», 10.04.2012.
5) Горизонтальный обмен генами заменяет коловраткам половое размножение, «Элементы», 07.06.2008.
6) В. П. Щербаков. Эволюция как сопротивление энтропии.

Александр Марков