Геном

Имя нашего общего предка — Лука (Luca — Last Universal Common Ancestor, последний вселенский общий предок). Как он выглядел и где жил? Предположительно, он выгля­дел как бактерия и жил в теплых лужах, возможно, в горя­чих источниках или морских заливах. В последнее время Луке стали отводить более мрачное место жительства, ког­да стало известно, что глубинные подземные и подводные камни обсеменены миллиардами литотрофных (живущих за счет преобразования химических соединений) бакте­рий. Тогда Луку поселили глубоко под землей, поближе к вулканической лаве, где его пищей были сера, железо, водород и углерод. Даже сейчас то, что мы понимаем под биосферой, — лишь вершина айсберга. По расчетам ученых девять десятых всего органического углерода сосредоточе­но глубоко под землей в виде термофильных бактерий, от­ветственных за образование природного газа (Gold Т. 1992. The deep, hot biosphere. Proceedings of the National Academy of Science of the USA89: 6045-6049; Gold T. 1997. An unexplored habitat for life in the universe? American Scientist85: 408-411).

Впрочем, сейчас довольно сложно представить, как выгля­дели первые формы жизни на Земле. У большинства совре­менных организмов гены передаются только от родителей к детям, но так было не всегда. Например, бактерии могут пе­редавать генетический материал друг другу от клетки к клет­ке. Вполне возможно, что ранее горизонтальный перенос генов был еще более распространенным явлением, вклю­чая целенаправленный поиск и захват нужных генов орга­низмами. В клетках древних организмов должно было быть много маленьких хромосом, по нескольку генов в каждой, которые легко можно было потерять или передать. Исходя из этой гипотезы, Карл Везе (Carl Woese) предложил рас­сматривать виды организмов как временные сообщества генов, нестабильные во времени. Гены, которые нашли свое прибежище в геноме человека, могли прийти к нам от разных видов. В таком случае бессмысленно искать един­ственного общего предка в далеком прошлом. Возможно, был не один Лука, а целое сообщество генетически разно­родных организмов, свободно обменивавшихся друг с дру­гом генами. Согласно Везе, жизнь уходит к своим истокам многочисленными корнями, а не одним генеалогическим стволом (Woese С. 1998. The universal ancestor. Proceedings of the National Academy of Science of the USA95: 6854-6859).

Тот древний мир можно представить как коммуну, в ко­торой гены принадлежали всему сообществу организмов. Но, скорее, реальному положению вещей соответствует теория эгоистичных генов, согласно которой гены нахо­дились в состоянии жесткой конкуренции по отношению друг к другу и в организмах образовывали лишь временные союзы. С течением времени наиболее удачные сочетания генов закреплялись, и индивидуальный эгоизм генов за­менялся коллективным трудом. Впрочем, пока это только гипотезы.

Но даже если предков было много, мы можем продол­жить наши размышления о том, где они жили и как выгля­дели. Были ли они похожи на современные термофильные бактерии? Благодаря ряду работ трех исследователей из Новой Зеландии, опубликованных в 1998 году, становится понятным то, что наши представления о примитивности бактерий не совсем верны. Бактерии, с их простым строе­нием клетки без ядра и с одной циркулярной хромосомой, скорее всего, не лежат в основе генеалогического дерева жизни. Традиционно древо жизни связывают с термофиль­ными бактериями, которые и сейчас встречаются в тер­мальных источниках.

По-видимому, автор имеет в виду архебактерии — живые ископаемые, населяющие горячие источники и другие экс­тремальные места обитания, непригодные для иных форм жизни.

Возникновение многоклеточных организмов связывают с объединением древних бактерий в сложные ассоциации. Но были ли наши предки такими же экстремалами, тяготев­шими к извергающимся вулканам и горячим источникам? Давайте представим обратный ход эволюции. Первые ор­ганизмы не были похожи на бактерии и не жили в горя­чих источниках и глубоководных вулканических кратерах. Вероятно, они больше напоминали современных прото- зоа — простейших одноклеточных животных вроде амебы, с геномом, фрагментированным в маленькие линейные по­липлоидные (несколько одинаковых копий) хромосомы. Полиплоидия была важна для первых организмов, посколь­ку их системы репликации были несовершенны и допуска­ли ошибки при копировании ДНК. Именно из-за несовер­шенства и неустойчивости биохимических систем эти ор­ганизмы, скорее всего, предпочитали холодный климат, а не горячие источники. Многие ученые, как, например, Патрик Фортерр (Patrick Forterre), полагают, что бактерии появились на Земле намного позже и принципиально отли­чаются от тех первых организмов, которые изобрели фор­му жизни, основанную на взаимодействии белков и ДНК. Действительно, если первоисточником жизни была РНК, то в организмах бактерий разнообразие молекул РНК све­дено к минимуму, особенно у микроорганизмов, живущих в горячих источниках. Но зато именно в нашем организме можно найти многочисленные реликтовые формы РНК, унаследованные нами от Луки. Бактерии в этом плане го­раздо более «продвинуты».

Реликтовые РНК, эти молекулярные ископаемые, широ­ко представлены у многоклеточных организмов. Многие из них являются мельчайшими молекулами, появляющи­мися в результате сплайсинга информационных РНК или существующими сами по себе, без определенных функций. Выделено много классов этих молекул: направляющие РНК, сброшенные РНК, короткие РНК ядра, короткие ядрышковые РНК и самовырезающиеся интроны. У бакте­рий ничего подобного нет. Гораздо проще предположить, что эти элементы были утрачены бактериями, чем то, что они были приобретены в ходе эволюции высшими организ­мами. (В биологии принято отдавать предпочтение более простым гипотезам, если нет явных свидетельств в пользу более сложной гипотезы. Этот подход называется принци­пом бритвы Оккама (Occam's razor).)

Принцип назван так по имени философа XIV века Уильяма

Оккама (William Occam, 1285-1349), впервые сформулировавшего его.

Бактерии избавились от многочисленных РНК, посколь­ку они крайне нестабильны и склонны к мутациям, особен­но в экстремальных условиях с высокими температурами и низкими значениями кислотности. Дальнейшая эволюция бактерий шла в направлении упрощения организма, спо­собствовавшего ускорению процессов репликации и раз­множения, что чрезвычайно важно для успешной конкурен­ции в эконишах их обитания. Но в клетках нашего организ­ма реликтовые РНК (остатки уже давно не используемых механизмов, замененных более совершенными) все еще сохранились как напоминание о прежних формах жизни. В отличие от бактерий в эволюции многоклеточных орга­низмов — грибов, растений и животных — тенденция к упро­щению никогда не была доминирующей. Напротив, преиму­щество получали более сложные формы, обеспечивающие физико-химическую стабильность (гомеостаз) клеток, что и дало возможность сохраниться реликтовым молекулам РНК (Poole А. М., Jeffares D. С., Pe

3a последние годы был достигнут значительный прогресс в изучении роли коротких молекул РНК, не кодирующих белки. Оказалось, что они играют чрезвычайно важную роль в регуляции биохимических процессов и экспрессии (считывания) генов. Поэтому их нельзя считать реликтами. Также оказалось неправдой то, что таких молекул РНК нет у бактерий. Их просто никто не искал, а когда стали искать, только в кишечной палочке нашли несколько сотен корот­ких регуляторных РНК (Hershberg R., Altuvia S., Margalit H. 2003. A survey of small RNA-encoding genes inEscherichia coli. Nucleic Acids Research 31:1813-1820).

Трехбуквенные слова генетического кода совершенно одинаковы у всех организмов. Так, CGA означает аргинин, a GCG — аланин у всех организмов: летучих мышей, жуков, водорослей и бактерий. Такой же код используется бакте­риями, ошибочно названными архебактериями, которые живут при температуре кипения воды в сернокислых вулка­нических источниках на дне Атлантического океана. Этот же код используют вирусы— мельчайшие бесклеточные живые организмы. Куда бы мы ни пошли в этом мире, ка­ких бы ни взяли животных или растения, жука или одно­клеточную амебу, все живое на планете использует один и тот же генетический код. Жизнь едина и говорит на одном языке. (Все же существует некоторое незначительное ва­рьирование кода — диалекты, присущие бактериям, много­клеточным и митохондриям.)