Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции

«Канонические» геномы многих бактерий и архей включают, в дополнение к «главной» хромосоме (или хромосомам), один или больше неотъемлемых, относительно больших и стабильных внехромосомных элемента, часто называемых мегаплазмидами. Мегаплазмиды могут удивительно долго сохраняться в процессе эволюции. Например, единственная мегаплазмида бактерии Thermus thermophilis гомологична одному или двум мегаплазмидам бактерии Deinococcus radiodurans и, следовательно, произошла от общего предка этих родственных, но сильно разошедшихся бактерий (Omelchenko et al., 2005). Однако в процессе эволюции этой древней группы бактерий мегаплазмиды накопили (относительно своих размеров) намного больше отличий в составе генов, чем хромосомы. Кроме того, мегаплазмиды имеют много горизонтально перенесенных генов, включая гены термофильных организмов, которые, очевидно, были приобретены линией Thermus и важны для их термофильного стиля жизни. Таким образом, хотя мегаплазмиды могут существовать в геномах прокариот в течение продолжительного по эволюционным меркам времени, они демонстрируют большую эволюционную пластичность, чем хромосомы, и служат своеобразными «запасниками» для ГПГ.

Почти все секвенированные геномы прокариот содержат следы интеграции многочисленных плазмид и фагов. В частности, примечательно, что большинство геномов архей обладают несколькими версиями оперона herA-nurA, который кодирует ключевые компоненты (АТФазы и нуклеазы) механизма сегрегации плазмид после репликации. Каждый из этих оперонов является остатком отдельного репликона, таким образом, слияние репликонов, по-видимому, является у прокариот достаточно частым событием. В ходе эволюции такая интеграция могла быть важным фактором, который сформировал наблюдаемую архитектуру хромосом прокариот (Iyer et al., 2004b; McGeoch and Bell, 2008).

Системы защиты и ответа на стресс, в частности, рестрикции-модификации и системы токсин-антитоксин можно рассматривать в качестве особых частей мобилома. Сравнительный анализ этих систем выявил быструю эволюцию и частый ГПГ; кроме того, они часто обнаруживаются в геномах плазмид и бактериофагов. Несмотря на их громадное молекулярное разнообразие, эти системы работают на одном и том же принципе – каждая содержит токсин, то есть белок, который либо разрушает хромосомную ДНК (ферменты рестрикции), либо блокирует систему трансляции в результате гидролиза мРНК или тРНК (соотвествующие токсины обладают эндонуклеазной активностью, специфичной к РНК), либо убивает клетку, вызывая образование отверстий в мембране (Kobayashi, 2001; Van Melderen and Saavedra De Bast, 2009). Вызванная токсинами гибель клетки в случае использования систем рестрикции-модификации предотвращается специфическим метилированием ДНК, a в случае систем токсин-антитоксин путем нейтрализации токсина антитоксином. Эта нейтрализация достигается либо посредством взаимодействия двух белков (токсина и антитоксина), либо посредством подавления трансляции мРНК токсина комплементарной к ней малой РНК, которая в этом случае выполняет роль антитоксина. Эти системы обладают свойствами эгоистичных элементов, которые эволюционировали таким образом, чтобы сделать клетки хозяина зависимыми от них (addicted). Когда клетка теряет соответствующие гены, она обычно погибает либо в результате действия токсина, поскольку токсины более стабильны, чем антитоксины, так что их активность после деградации антитоксинов, запасы которых перестают восполняться, резко возрастает, либо из-за ослабления активности ферментов модификации в результате снижения их концентрации, в то время как рестриктазы сохраняют активность. Из-за этого свойства токсин-антитоксинных систем плазмиды, которые переносят токсин-антитоксинные гены и, таким образом, гарантируют, что их хозяева «подсядут» на них, убивая клетки, которые утратили плазмиды, получают сильное селективное преимущество перед плазмидами, не имеющими токсин-антитоксинных систем. Известные к настоящему времени токсин-антитоксинные системы, вероятно, представляют, как принято говорить, лишь вершину айсберга, так как геномы бактерий и архей несут большое количество различных оперонов, имеющих свойства, сближающие их с токсин-антитоксинными оперонами (а именно пара генов, кодирующих небольшие белки, которая появляется в одинаковой комбинации в различных геномах и геномных окружениях), но которые не были (пока) экспериментально исследованы (Makarova et al., 2009a).