Итак, для бактерий большой геном — это неплохо, если рост замедлен, а метаболическая гибкость в почете. Но метаболически разносторонних бактерий не так мало, и отбор все равно направлен на уменьшение размера генома. Это, судя по всему, ставит бактериальному геному «планку» высотой примерно 10 миллионов «букв» ДНК. Такой размер имеют самые большие бактериальные геномы, как правило, они гораздо меньше. В общем, наверное, будет справедливо сказать, что бактериальные геномы маленькие, потому что на репликацию больших геномов уходит больше времени и энергии, а значит, они не поддерживаются отбором. Тем не менее даже самые большие бактериальные геномы все равно малы по сравнению с геномами эукариот из тех же местообитаний. Как эукариоты сбросили с себя давление отбора, угнетающее даже самых метаболически разнообразных бактерий, мы узнаем в этой главе.
Потеря генов как эволюционная траектория
Бактерии могут сохранять маленький геном одним из двух способов: пассивным или динамичным. Они могут сохранять один и тот же набор генов, как трусливый игрок, который не спешит расстаться с козырями, или терять одни гены и приобретать другие, как рискованный картежник, сбрасывающий свои карты и тянущий из колоды новые. Это может показаться странным, по крайней мере, тем, кто считает эволюцию неуклонным путем в сторону усложнения (и большего числа генов), но многие бактерии охотно рискуют своими генами. «Проигрыш» при этом нередок. Потеря генов у бактерий — обычное явление.
Один из крайних примеров — бактерия Rickettsia prowazekii, возбудитель сыпного тифа. Эпидемии этой страшной болезни свирепствуют в условиях скученности и антисанитарии, там, где кишат крысы и вши. Случалось, что сыпной тиф косил целые армии, включая армию Наполеона в России. Rickettsia prowazekii названа в честь двух ученых, исследовавших ее в начале XX в.: американца Говарда Риккетса и чеха Станислава Провачека. Вместе с французом Шарлем Николем, Риккетс и Провачек открыли, что эта болезнь передается с испражнениями платяной вши. Как ни печально, ко времени появления вакцины (1930 г.) Риккетс и Провачек уже умерли от тифа. Из первых исследователей в живых остался только Николь; в 1928 г. он получил за свою самозабвенную работу Нобелевскую премию. Его открытия пригодились во время Первой и Второй мировых войн, когда санитарные меры, такие как бритье, мытье и сжигание одежды, помогли ограничить распространение этой болезни.
Rickettsia — очень маленькая бактерия, размером почти с вирус. Она является внутриклеточным паразитом и так хорошо приспособлена к этому образу жизни, что не может существовать за пределами клеток хозяина. Геном риккетсии впервые отсеквенировала Сив Андерссон и ее коллеги из Университета города Уппсала (Швеция). Их публикация в журнале Nature в 1998 г. произвела фурор. Упрощение генома Rickettsia, связанное с внутриклеточным образом жизни, очень напоминает упрощение генома наших собственных митохондрий, а последовательности оставшихся в нем генов имеют много общего с последовательностями генов митохондрий. Андерссон и ее коллеги объявили Rickettsia ближайшим ныне живущим родственником митохондрии, хотя, как мы видели в первой части книги, кое-кто с этим не согласен.
В данный момент нас интересует немного другое, а именно легкость, с которой риккетсии теряют гены. За время эволюции Rickettsia утратили их большую часть и теперь имеют в своем распоряжении всего 834 кодирующих белок генов. Это на порядок больше, чем у митохондрий большинства видов, но составляет примерно четверть обычного числа генов свободно-живущих родичей риккетсий. Rickettsia утратили большинство этих генов просто потому, что они были им ни к чему: уж если организм сумел приспособиться к жизни внутри других клеток, его там кормят с ложечки. Такие паразиты — нахлебники при кухне отличного повара, и им нет нужды заботиться о пропитании. Но они не толстеют, наоборот, худеют, избавляясь от лишних генов.
Давайте остановимся на минутку и подумаем о том, под давлением каких обстоятельств риккетсии теряют гены. Повреждение генов случайно, а вот потеря генов — нет. Клетка (или организм), у которой важный ген теряется (или повреждается и перестает выполнять свою функцию), погибнет — естественный отбор сотрет ее с лица Земли. Однако если ген не слишком важен, его потеря или повреждение не будут иметь катастрофических последствий. За примерами далеко ходить не надо. Несколько миллионов лет назад наши предки приматы утратили ген, необходимый для производства витамина C, но не погибли, потому что ели много фруктов, богатых этим витамином. Они выжили и добились успеха. Мы знаем это потому, что большая часть этого гена осталась в нашей «мусорной» (или избыточной) ДНК и свидетельствует об утрате столь же красноречиво, как пробоина ниже ватерлинии — о гибели корабля. Оставшийся кусок гена хорошо соответствует функциональному гену, вовлеченному в синтез витамина C у других видов.
На биохимическом уровне Rickettsia пошла гораздо дальше наших предков. Гены, необходимые для синтеза «с нуля» многих важнейших веществ (например, аминокислот и нуклеотидов), нужны ей не больше, чем нам — ген, необходимый для синтеза витамина C. Риккетсии просто импортируют эти вещества из клетки хозяина. Что же произойдет, если такие гены у Rickettsia будут повреждены? Да ничего — они потеряются, вот и все. Почти четверть генома Rickettsia состоит из избыточной ДНК, что необычно для бактерий. Этот «лишний» материал напоминает о недавно выброшенных за борт генах. Память о них еще не стерлась — их остатки потихоньку догнивают в геноме. Со временем такая мусорная ДНК почти наверное будет вообще утрачена, так как замедляет репликацию. Мутации, удаляющие ненужную ДНК, будут поддержаны отбором, так как они ускоряют репликацию. Итак, сначала ген повреждается, а потом теряется совсем. Rickettsia уже утратила таким образом четыре пятых своего генома, и процесс продолжается. Как сказала Сив Андерссон, «геномные последовательности — всего лишь моментальные снимки в эволюционном времени и пространстве». В данном случае на снимке запечатлен момент эволюционной деградации паразита.
Баланс между потерей и приобретением генов у бактерий
Большинство бактерий, конечно, не внутриклеточные паразиты, а жители большого мира. Им нужно гораздо больше генов, чем риккетсиям. Тем не менее на них действует аналогичное давление отбора, просто они не могут позволить себе потерять так же много генов, как риккетсии. Склонность свободноживущих бактерий терять гены можно измерить в лабораторных условиях. В 1998 г. венгерские исследователи Тибор Веллай, Кристина Такач и Габор Вида, в то время работавшие в Университете имени Лоранда Этвёша (Будапешт), провели несколько простых, но показательных экспериментов. (Конечно, их техническое исполнение было далеко не простым, но концептуально они были удивительно просты и понятны.) Они создали три бактериальные плазмиды (эти маленькие кольцевые молекулы ДНК служат генетической «разменной монетой»; мы встречались с ними в главе 1). Каждая плазмида содержала ген, обеспечивающий устойчивость к какому-то антибиотику. Между ними было только одно существенное отличие — размер. Они содержали разное количество некодирующей ДНК. Эти плазмиды поместили в культуры растущих бактерий E. coli. Бактерии «подбирали» оказавшиеся в культуре плазмиды (этот процесс называется трансфекцией), после чего могли использовать новые гены при необходимости.
Сначала венгерские исследователи выращивали три трансфицированные культуры в присутствии антибиотика. Бактерия, потерявшая плазмиду, теряет вместе с ней и устойчивость к антибиотику и погибает. При таком давлении отбора медленнее всех росли колонии с самыми большими плазмидами, так как у них уходило больше времени и сил на копирование ДНК. Всего лишь за 12 часов клетки с самыми мелкими плазмидами в десять раз обогнали своих неповоротливых родичей по скорости роста в культуре. Во втором экспериментальном варианте бактерий выращивали без антибиотика. Тогда все три культуры росли с примерно одинаковой скоростью, независимо от размера плазмиды. Как же так? Исследователи еще раз проверили бактерии на присутствие плазмид и выяснили, что лишние плазмиды были утрачены. Все три культуры бактерий могли расти с примерно одинаковой скоростью потому, что избавились от генов устойчивости к антибиотикам, которые в данных условиях были им не нужны. Бактерии выбросили гены, потому что они мешали им размножаться быстрее, словно руководствуясь девизом «Всё лишнее — за борт!».
Эти исследования показывают, что потеря лишних генов у бактерий — вопрос часов или дней. Такая скорость означает, что виды бактерий имеют тенденцию сохранять наименьшее число генов, позволяющее им выжить в конкретный момент. Естественный отбор похож на страуса, прячущего голову в песок, — если какое-то действие предоставляет временную передышку, то неважно, что в долгосрочной перспективе оно может оказаться крайне глупым. Если ген устойчивости к антибиотикам не востребован, его теряет большинство клеток в популяции, даже если он может понадобиться в ближайшем будущем. Бактерии теряют таким же образом не только гены устойчивости к антибиотикам, но и любые другие «неважные» в данный момент гены. Легче всего теряются гены, находящиеся на такой «портативной» хромосоме, как плазмида, но теряются они и с основной хромосомы, только медленнее. Любой ген, который не используется регулярно, с большой вероятностью будет утрачен в результате случайных мутаций и отбора на большую скорость репликации. Об эффективности этих механизмов на основной бактериальной хромосоме свидетельствует малое количество «избыточной» ДНК, а также небольшое по сравнению с эукариотами число генов. Бактерии маленькие и простые, потому что при первой возможности избавляются от лишнего багажа.
