Молекулярний механізм еволюції

Рафаїл Нудельман

Відкриття, про яке я хочу розповісти, стало надбанням наукової громадськості, коли в журналі "Nature" була опублікована стаття під назвою "HSP-90 як пособник морфологічної еволюції ". Непосвяченим людям цю назву, звичайно, не говорить нічого, але фахівці відразу розпізнали під цією суто академічної шапкою сенсаційне зміст. Втім, найбільш точно сформулювали сутність нового відкриття самі його автори - американські дослідниці Сюзанна Резерфорд і Сюзен Лундквіст, які відкрили розділ "Обговорення результатів" знаменною фразою: "Ми вперше, наскільки нам відомо, знайшли свідчення існування спеціального молекулярного механізму, який сприяє процесу еволюційних змін у відповідь на зміни навколишніх умов ". Ще більше просто те ж саме було сказано в коментарі британської радіостанції "Бі-бі-сі": "Відкрито молекулярний механізм еволюції!" (Щоправда, справедливості ради слід зазначити, що автори супроводили підзаголовок своєї статті -- "Механізм еволюційності" - не оклику, а куди більш обережним знаком питання.)

Що ж це значить - молекулярний механізм еволюції? Ми всі знаємо, що еволюція видів відбувається в результаті появи випадково що змінилися особин і природного відбору з їх числа тих, які краще пристосовані до мінливих умов навколишнього середовища. Але це, так би мовити, "макровизначеннями". Поза сумнівом, процес появи "змінилися особин" починається з якихось молекулярних змін, адже всі ознаки тієї чи іншої особи того чи іншого виду диктуються генами. Відповідно, і всі зміни цих ознак повинні починатися на рівні генів, тобто на молекулярному рівні. Сьогодні вже відомо, що основною причиною таких змін є так звані мутації. Мутація - це випадкове зміна якогось гена, викликане радіаційним, хімічним або іншим пошкодженням. Оскільки кожен ген управляє освітою того чи іншого клітинного білка або його частини (а вже через ці білки - ознаками організму в цілому), то мутація в гені найчастіше веде в кінцевому рахунку до певного перекручування його білка - у разі так званої мікромутаціі, як правило, до "точкового" спотворення, просто кажучи - до заміни однієї певної амінокислоти на іншу. Наслідки такої заміни можуть бути як дуже шкідливими або навіть смертельними для організму, якщо вони зачіпають дуже важлива ланка, або ж нешкідливими -- нейтральними, а зрідка (завдяки щасливому випадку) навіть корисними для кращої адаптації до середовища.

Всі сказане не пояснює, проте, як же все-таки відбувається еволюція. Поясню на прикладі, в чому тут заковика. Навіть побіжний погляд на еволюцію біологічних видів переконує в тому, що вона прискорюється в умовах стресу, тобто ситуації, що виникає в результаті різкого і несприятливої зміни зовнішніх умов. Це добре відомо, наприклад, по відношенню до бактерій. Потрапляючи в ситуацію фізіологічного стресу, викликану, наприклад, голодуванням або появою в навколишньому середовищі антибіотиків, вони дуже швидко відповідають на цю загрозу появою безлічі нових мутантних різновидів, серед яких виявляються особи, успішно виживають в нових умовах (стаючи, наприклад, резистентними до антибіотиків або здобуваючи здатність засвоювати перш неїстівну їжу). Важко уявити собі, що саме в цих умовах мутації, які й ведуть в кінцевому рахунку до появи нових різновидів бактерій, чомусь різко частішають, адже мутації - явища випадкові, не приурочені ж вони саме до потрібного моменту! Але ще важче уявити, що бактерії якимось дивом "Цілеспрямовано відповідають" на що виникла потреба пристосуватися і вижити. Поза сумнівом, повинен існувати якийсь прихований молекулярний механізм, який сам собою включається в умовах стресу, і - що збільшує частоту мутацій? Яким чином? Загадка.

Між тим поведінку бактерій - далеко не єдиний приклад "прискореної" еволюції в умовах стресу. Наука Палеоантропологія знає другий такий випадок. Сьогодні багато палеоантропології вважають, що аналогічним чином стався один з найважливіших етапів в еволюції далеких попередників людини - від так званих австралопітеків до власне гомінідам. Ті з австралопітеків, які від чисто рослинного раціону перейшли до м'ясної їжі, повинні були виходити з лісів у відкриті африканські савани, щоб знайти собі там таку їжу (залишки недоїдених хижаками тварин), і в ході таких пошуків часом забрідали в ізольовані від навколишнього світу долини або ущелини. Там, опинившись у важких умовах, що загрожували їх виживання, вони, на думку палеоантропологів, еволюціонували (адаптувалися) швидше, ніж ті групи австралопітеків, які залишалися у звичних умовах лісу і не потребували такої адаптації. Чим довше була ізоляція, тим більше накопичувалося у групі таких еволюційних змін, поки вона остаточно не перетворилася на нову, більш досконалу групу Гомо.

Знаменитий "Кембрійські вибух" свідчить, що подібні явища можуть відбуватися і в більше величезних масштабах. Нагадаємо, що "Кембрійські вибухом" називається в біології короткий (близько мільйона років) період швидкого (в геологічних масштабах часу, зрозуміло) появи величезної кількості нових біологічних видів, відрізнялися радикально зміненими тілесними формами і структурами, наприклад, саме тоді вперше виникли хребетні, до яких належить і людина. Сьогодні вважається, що цей період, віддалений від нас майже на 500 мільйонів років, почався з різкого швидкого наростання концентрації кисню в земній атмосфері, що створило стресові умови для існуючих тоді організмів. Між іншим, не менш відома катастрофа - зникнення динозаврів, що сталося близько 65 мільйонів років тому, швидше за все, в результаті зіткнення Землі з величезним метеоритом, - теж супроводжувалося прискореним появою безлічі нових видів (наприклад, нинішніх ссавців), причому, як показав американський дослідник Д. Яблонський, саме в найближчих околицях місця падіння метеорита, в районі нинішнього Мексиканської затоки, нові види з'явилися раніше за все, вже через мільйон років після катастрофи, але ж саме там стрес повинен був бути сильніше за все.

На поверхні клітини розташовуються рецептори різного виду, які взаємодіють зі своїми сигнальними молекулами

Всі ці приклади показують, що несприятливі, стресові зміни середовища не просто сприяють еволюції, але різко прискорюють її, часом у величезних масштабах, але це лише посилює загадку - який же молекулярний механізм такого прискорення? Яким чином примудряються спадкові молекули ДНК так швидко мінятися саме в потрібний момент? Звідки береться - знов-таки саме в потрібний момент - таке безліч сприятливих мутацій відразу?

Відкриття Сюзанни Резерфорд і Сюзен Лундквіст, з розповіді про який ми розпочали цю замітку, як раз і намітила контури можливого відповіді на всі ці питання. Ці дослідниці вибрали як об'єкт вивчення якийсь специфічний білок, функції якого в організмі пов'язані, з одного боку, зі стресом, а з іншого - з розвитком і зміною клітин. Ця його подвійна роль, на думку дослідниць, повинна була дозволити простежити зв'язок між стресом і клітинними (а в кінцевому рахунку - і організменнимі) змінами на найглибшому, молекулярному рівні.

Білок це називається HSP-90, що й зумовило назву статті в "Nature". Він відноситься до широкої і важливої групи так званих білків теплового шоку, призначення яких, як видно з їх визначення, полягає у захисті клітинних білків від теплового впливу, тобто від "шоку", який може бути викликаний різким підвищенням температури навколишнього середовища. Підвищення температури, взагалі кажучи, смертельно небезпечно для будь-яких білків - воно руйнує хімічні зв'язки всередині них, а це призводить до втрати молекулою білка його специфічної форми, а з нею і здібності до виконання своїх функцій у клітині. Цей результат наочно демонструє білок звареного курячого яйця. Так ось, білки теплового шоку, які плавають в міжклітинної середовищі і навколишні зовні поверхню клітин, як би беруть тепловий удар на себе і завдяки цій своїй "самовідданості" запобігають (до певної межі, зрозуміло) руйнування клітинних білків. Дослідження останніх років показали, що ті ж білки теплового шоку здатні захищати клітинні білки й від багатьох інших небезпек і стресів, наприклад кисневого голодування, хімічних ушкоджень і навіть від атаки деяких патогенів. Більше того, проникаючи в клітину, вони захищають її білки навіть під час відсутності стресу, коли ці білкові молекули тільки утворюються всередині клітини, і до тих пір, поки вони не звернуть належним чином. Таким чином, білки теплового шоку впору назвати просто "захисними".

Захисний білок HSP-90 підтримує молекулу сигнального рецептора у стабільному стані

Серед всіх цих общезащітних білків HSP-90 виділяється однією унікальною особливістю. Він не займається захистом утворюються білкових молекул. Переважна більшість його "підопічних" білків відноситься до класу так званих передавачів сигналу (signal transducers). Типовим прикладом таких передавачів є рецептори клітини. Рецептори - це білки, призначення яких полягає в розпізнаванні специфічних молекул, що плавають в міжклітинній просторі, і з'єднанні з тими з них, які певним чином "відповідають" даного рецептора. Білок-рецептор має видовжену форму: його "головка", як грибок, стирчить над поверхнею клітини, "тельця" пронизує її клітинну мембрану, а "хвіст" знаходиться всередині клітини.

Рецептори - "Передавачі сигналів" розраховані на з'єднання з тими специфічними молекулами (гормонами, феромонами, нейротрансмітером, факторами росту і т. д.), які циркулюють в міжклітинної середовищі, переносячи хімічні сигнали від одних клітин до інших. Відомо, наприклад, що в процесі росту ембріона такі "Сигнальні молекули" примушують клітини в певних місцях ембріона до спеціалізації, командуючи їм перетворюватися на клітини очі, кінцівок, серця і т.д. Як це відбувається? Коли сигнальна молекула сідає на стирчить з клітки "чашечку" рецептора, це викликає в рецепторі зміна його форми - як кажуть, "Конформаційної зміна". Така зміна просувається вздовж тіла рецептора і досягає його "хвоста", що знаходиться всередині клітини. Навколишні цей "хвіст" спеціальні білки, кінази, під впливом такого конформаційної зміни примушуються вступати в специфічні біохімічні реакції, що тягне за собою цілий каскад послідовних хімічних перетворень, що досягають у кінцевому рахунку спадкових молекул, укритих в ядрі клітини.

Це і є процес передачі "сигналу" з навколишнього середовища клітку до її спадковим молекул. Згаданий каскад внутрішньоклітинних реакцій, викликаний таким сигналом, може, наприклад, привести до того, що на якийсь ген спадкової молекули сяде молекула білка, що блокує або, навпаки, підсилює його роботу. А це вже, у свою чергу, впливає на темп росту клітини, характер метаболізму в ній, процес її поділу або навіть її спеціалізацію в ході ембріонального розвитку. Справа в тому, що спеціалізація клітин ембріона (тобто перетворення їх на клітини ока або серця) безпосередньо залежить від того, які гени в її спадкової молекулі включені, а які заблоковані.

Повернімося, однак, до захисного білку HSP-90. Де його місце в намальованою картині передачі сигналів? Виявляється, сигнальні рецептори дуже нестійкі. Грубо кажучи, та ланцюг ланок-амінокислот, яка складає їх "хвіст", "тельця" і зовнішню "Чашечку", має тенденцію змінювати свою форму під впливом навіть невеликих змін, наприклад, в результаті найдрібніших змін у складі цього ланцюга на зразок випадкової (в результаті "точкової" мутації) заміни однієї амінокислоти на іншу. Зрозуміло, що така зміна форми "чашечки" впливає на її здатність впізнавати потрібну "сигнальну молекулу" і з'єднуватися з нею. У результаті сигнал або взагалі не поступає в клітину, або поступає "спотвореним" і викликає інші наслідки в спадкових молекулах. Розвиток клітини (а часом і організму в цілому) може піти з "аномальному" шляху. Для того щоб цього не сталося, природа і "Придумала" захисний білок HSP-90. Друга його функція (крім захисту від теплового шоку) полягає саме в тому, щоб утримувати рецептори - передавачі сигналів в тій конформації, яка необхідна для нормального прийому та передачі сигналу. Спрощено дію цього білка можна уявити собі як чисто механічне (насправді, воно хімічне) утримування "чашечки" рецептора в потрібній формі до моменту приходу сигнальної молекули.

При потужному зовнішньому впливі молекули HSP-90 спрямовуються на боротьбу з ним, а це дозволяє проявитися прихованим мутацій.

Ця роль HSP-90 була спочатку виявлена при вивченні дріжджів. Було встановлено, що при нормальній температурі штучне (шляхом хімічного впливу) зниження концентрації цього білка в організмі дріжджів тягне за собою повне припинення передачі в клітини сигналів від тих рецепторів, які зазвичай пов'язані з молекулами HSP-90. Те ж саме відбувається, якщо замість штучного зниження концентрації HSH-90 просто підвищити температуру навколишнього середовища. Воно й зрозуміло: при підвищенні температури частина молекул цього білка відволікається на захист клітини від теплового шоку, а що залишилися молекул, мабуть, недостатньо для стабілізації сигнальних рецепторів. Іншими словами, при будь-якому - чисто хімічному або тепловому - Зменшення числа молекул HSP-90, які обслуговують сигнальні рецептори, відбувається те чи інше порушення нормальних сигнальних шляхів.

До чого ж веде таке порушення? Резерфорд і Лундквіст вирішили з'ясувати це на прикладі плодових мушок, знаменитих дрозофіл. У кількох лабораторіях було виявлено, що у дрозофіл можна викликати таку мутацію в одній з їх спадкових молекул, що в результаті утворюється в їх організмі білок HSP-90 виявиться "Зіпсованим". Американські дослідниці припустили, що це має вплинути на сигнальні процеси в організмах дрозофіл, як впливає на ці процеси зниження концентрації цього білка в організмі дріжджів, і виокремили метою детально вивчити наслідки таких порушень. Для цієї мети вони відібрали колектив мушок-мутантів із зіпсованим HSP. Коли вони почали схрещувати цих дефектних мушок зі звичайними, у яких HSP не був зіпсований мутацією, то переконалися, що помітне число нащадків таких пар (дефектний - нормальний) теж має аналогічними дефектами.

Що ж могло змінити нормальний розвиток мушок з "зіпсованим" HSP-90? Існували три можливості. По-перше, такі мутанти могли виявитися просто більш чутливими до мікрозмін навколишнього середовища, що і викликало поява дефектів їх ембріонального розвитку, - нагадаємо, що цей білок, крім своєї дії на сигнальні рецептори, захищає клітини і від всяких стресів, викликаних такими мікрозмін.

По-друге, могло статися, що HSP-90 якимось чином бере участь у контролі за подвоєнням спадкових молекул при діленні клітин, тоді при його відсутності або псування це подвоєння могло відбуватися не цілком точно, з генетичними помилками.

Нарешті, була і третя, найцікавіша можливість: в амінокислотних ланцюгах сигнальних рецепторів могли існувати якісь приховані мутації, якісь замінені амінокислоти, - нагадаємо, що такі заміни, як ми вже говорили, якраз і викликають небажані зміни форми рецептора. Поки білок HSP-90 "насильно" утримував рецептор в потрібній (нормальної) формі, вплив цих прихованих мутацій не могло проявитися, але як тільки його стабілізуючий зовнішнє дія була усунуто (через його псування), ці приховані мутації дали про себе знати. Вони змінили форму рецептора, це вплинуло на передачу сигналів, а перекручуванняе сигнали викликали аномальний розвиток клітин. Як вже було описано вище, клітини ембріона, які повинні були отримати сигнал на спеціалізацію в клітини очі, при перекручуванні сигналу могли спеціалізуватися в клітини кінцівок і т. п.

Чому третя можливість - "найцікавіша"? Тому що в цьому випадку вимальовується ймовірна картина молекулярного механізму прискореної еволюції під стресом: стрес відволікає частину молекул HSP-90 від завдання стабілізації сигнальних рецепторів, це дозволяє "проявитися" відразу всім тим прихованим мутацій, які накопичені в сигнальних рецепторах за попередні покоління, а прояв відразу великої кількості раніше накопичених мутацій якраз і забезпечує те прискорене виникнення численних різновидів, яке ніяк не можна було пояснити одночасним появою всього цього безлічі мутацій саме в процесі стресу.

Іншими словами, загадка прискореної еволюції під стресом вирішувалася б саме тим, що ця швидкість обумовлена не одночасним появою безлічі нових мутацій, а одночасним проявом безлічі мутацій, накопичених раніше, але до пори до часу (стресу) прихованих.

Тепер мені залишається лише сказати, що подальші експерименти Резерфорд і Лундквіст підтвердили саме цю, третю можливість.

Попутно виявилося ще одна цікава обставина. Виявилося, що якщо схрещувати дефектних мушок до шостого-сьомого покоління, то прояв деяких дефектів (наприклад, очі і крила) перестає залежати від наявності або відсутності HSP-90. Як це розуміти?

Резерфорд і Лундквіст пояснили це тим, що існує, мабуть, якийсь поріг прояви прихованих мутацій: якщо їх число в молекулі рецептора нижче визначеного, "порогового" значення, вони можуть впливати на форму рецептора тільки при повній відсутності HSP-90, але якщо їх число вище цього порогу, вони проявляються (тобто впливають на рецептор і міняють сигнальні шляхи, що призводить до появи дефектних ембріонів) незалежно від стабілізуючого дії захисного білка. Грубо кажучи, здатність прихованих мутацій впливати на амінокислотних ланцюг рецептора стає більше здатності HSP-90 утримувати цей ланцюг від таких впливів. Інакше кажучи, зі збільшенням числа поколінь відбувається накопичення прихованих мутацій, що веде врешті-решт до їх прояву навіть всупереч дії HSP-90.

Чому все це так важливо? Підставте на місце слова "дефект" більш широке словосполучення "новий ознака" (адже поява дефекту є окремий випадок появи нового ознаки), і вся описана вище картина зараз виявиться картиною еволюції в природних умовах.

В Насправді, в природних умовах досить часто виникають такі стреси, які відволікають частину молекул HSP-90 на захист клітин від цього стресу і тим самим знижують їх концентрацію поблизу сигнальних рецепторів. Це призводить до певного зниження порогу прояви прихованих мутацій, здатних викликати появу нового ознаки.

Підрахунки показують, що достатньо знизити цей поріг навіть на пару десятків відсотків, щоб кількість особин з "надпороговим" числом прихованих мутацій виявилося цілком помітним (кілька відсотків від загального числа особин в колективі). Потомство цих особин знайде новий ознака, стане новим різновидом всередині даного виду. Далі вже вступить в дію природний відбір. Якщо цей новий ознака буде давати "дефектним" особинам хоча б невелику перевагу в адаптації, природний добір почне збільшувати частоту його появи в колективі (іншими словами, потомство цих особин буде виживати краще, ніж потомство інших, і їх частка в колективі буде неухильно зростати). У міру продовження їх схрещувань один з одним серед цих особин будуть все частіше з'являтися ті, у яких число прихованих мутацій більше порога навіть у присутності HSP-90. Якщо тепер стресові умови закінчаться, настануть "спокійні часи", HSP-90 повернеться до виконання своїх обов'язків з нагляду за сигнальними рецепторами, і поріг прояву прихованих мутацій підніметься знову до свого нормального значення, це вже не зможе змінити ситуацію: у колективі вже накопичилося достатньо особин, здатних подолати і цей поріг. Новий ознака буде зберігатися і далі.

За думку Резерфорд і Лундквіст, прояв прихованих мутацій, що веде до сталих еволюційним змінам, є, мабуть, головним чи, принаймні, одним з найважливіших молекулярних механізмів еволюції. Способи цього прояви, можливо, можуть бути різні, на це начебто вказують дослідження деяких інших експериментаторів, але серед цих способів прояв прихованих генетичних варіацій через порушення функцій HSP-90 явно займає особливе місце, виділяючись як різноманітністю, так і масштабом проявляються тілесних змін. Чи дає це підставу вважати цей конкретний спосіб прояву прихованих мутацій "Головним" молекулярною механізмом еволюції - інше питання. Не випадково Резерфорд і Лундквіст саме в цьому місці своєї статті поставили запитання знак.

Але подумати тільки - весь гігантський Кембрійські вибух міг бути наслідком прояви накопичених за мілліардолетія прихованих мутацій, оголіли в результаті того, що крихітні молекули HSP-90 відволіклися на захист клітин від раптово виник надлишку кисню!

Список літератури

Для підготовки даної роботи були використані матеріали з сайту http://wsyachina.narod.ru