Сравнительно-геномная реконструкция генного репертуара LUCA

Почему мы уверены, что LUCA существовал? Есть множество аргументов, поддерживающих предположение о существовании LUCA, и самым сильным из них является сохранившаяся в универсальном (одинаковом для всех организмов) виде система экспрессии генов. Действительно, все известные нам клеточные формы жизни используют один и тот же генетический код (20 универсальных аминокислот и стоп-сигналов, закодированных в 64 кодонах), и небольшие отклонения содержатся лишь в сильно деградировавших геномах бактериальных паразитов и органелл. Все клетки используют одинаковые рибосомы, которые состоят из трех универсально консервативных молекул РНК и примерно 50 белков, из которых 20 универсальны. В дополнение к этому, универсально сохраняющиеся компоненты системы трансляции включают около 30 транспортных РНК, несколько факторов трансляции, 18 аминоацил-тРНК-синтетаз и несколько тРНК-модифицирующих ферментов (Anantharaman et al., 2002). За пределами системы трансляции универсально консервативны только гены трех субъединиц РНК-полимеразы. Таким образом, существует всего около 100 универсально сохранившихся генов, и все они участвуют в экспрессии генов (случается, что некоторые из этих генов, особенно те, что кодируют малые рибосомные белки, отсутствуют в аннотациях вновь расшифрованных геномов [Charlebois and Doolittle, 2004]; однако, скорее всего, эти исчезновения являются ошибками расшифровки или аннотации, а не реальными потерями в геноме). Мы уже знакомы с этими (почти) универсальными генами из главы 6, где мы наблюдали весьма сходные (хотя и не тождественные) топологии их филогенетических деревьев. Универсальное сохранение генетического кода и механизма экспрессии и единство эволюционных судеб его компонентов не оставляют места для сомнений в том, что эта система является наследством некоей формы LUCA. Основной вопрос состоит, таким образом, не в том, существовал ли LUCA, а в том, каким он был, о каких свойствах этой системы мы можем сделать выводы с достаточной уверенностью, а какие (пока что) остаются неясными[114].

Ясно, что ни один организм, даже самый примитивный, не может состоять из одних механизмов экспрессии, так что необходима реконструкция остальной части генного репертуара LUCA. И методы реконструкции, и их подводные камни здесь те же, что были описаны в главах 5 и 7. В контексте эволюции прокариот, которая важна для реконструкции LUCA, следует рассматривать три типа элементарных событий: (1) «рождение» гена — появление нового гена, обычно в процессе генной дупликации, за которой следует радикальная дивергенция; (2) обогащение генами за счет ГПГ; и (3) утрата гена. Напомним, что надежной реконструкции пути эволюции и наборов предковых генов препятствует неточность, связанная с относительными вероятностями событий и скоростями разных процессов, в особенности разница скоростей утраты генов и ГПГ. В принципе даже ген, найденный во всех современных клеточных формах жизни, может не быть унаследован от LUCA: его универсальность может быть последствием многочисленных горизонтальных переносов. Более того, предположения о генном содержании предковых форм, основанные на принципе наибольшей экономии и даже наибольшего правдоподобия, консервативны, и неясно, насколько они недооценивают результат. Вопреки всем сложностям и неточностям эволюционных реконструкций, анализ наибольшей экономии совместно с менее формальными попытками реконструкции далекого прошлого конкретных функциональных систем не оставляет серьезных сомнений в том, что LUCA уже содержал несколько сотен генов (Mirkin et al., 2003; Ouzounis et al., 2006; Snel et al., 2002). В дополнение к вышеупомянутой «золотой сотне» генов, участвующих в экспрессии, этот разнообразный генный комплект состоит из множества метаболических ферментов, включающих как пути основного энергетического обмена и биосинтеза аминокислот, нуклеотидов и коферментов, так и некоторые важные белки мембран, такие как субъединицы частицы узнавания сигналов (SRP) и H+-АТФазы.

Однако в реконструкции генного состава LUCA по-прежнему зияют дыры. Более всего удивляет (1) отсутствие ключевых компонентов механизма репликации ДНК, а именно полимераз, ответственных за инициацию (праймазы) и элонгацию репликации ДНК и заполнение лакун после удаления праймера, а также основных геликаз (Leipe et al., 1999); и (2) отсутствие основных ферментов липидного биосинтеза (Pereto et al., 2004). Эти незаменимые белки не попадают в реконструированный генный репертуар, поскольку данные процессы у бактерий и архей катализируются разными, неродственными ферментами, а в случае мембранных фосфолипидов еще и образуют химически разные мембраны[115].

Таким образом, реконструированный генный набор LUCA исключительно неоднороден: в то время как отдельные системы по своей сложности почти не отличаются от аналогичных систем существующих организмов, другие системы выглядят рудиментарными или вовсе отсутствуют. Столь странная картина напоминает концепцию асинхронной «кристаллизации» различных клеточных систем на ранних стадиях эволюции, которую предложил Карл Вёзе (Woese, 1998), и подсказывает, что нужно взглянуть на проблему LUCA с более общих позиций.

По-видимому, имеет смысл думать о LUCA в двух разных плоскостях (Koonin, 2009c):

Можно ожидать, что эти характеристики коррелируют между собой, но они не связаны жестко. В принципе вполне можно представить, что LUCA был клеточной формой жизни значительно более простой, нежели любая из современных клеток (по крайней мере свободноживущих) в смысле генетического содержания; или же, напротив, что относительная генетическая сложность была свойственна клеткам еще до появления современного типа клеточной организации — для этого сценария мы будем использовать обозначение LUCAS (Last Ancestral Universal Common State — последнее универсальное предковое состояние [всего живого]; см. рис. 11-1).

«Униформистское предположение» о том, что LUCA был более-менее обычной, похожей на современные прокариотической клеткой, негласно принимается в большинстве описаний ранней клеточной эволюции, но редко проговаривается явно. Тем не менее любая реконструкция LUCA должна учитывать и эволюцию тех свойств, которые трудно проследить вглубь до единого предка архей и бактерий, особенно два главных из них: репликацию ДНК и биогенез (и химию) мембран. Униформистские гипотезы, которые скрыто или явно основаны на предположении о «клеточности» LUCA, объясняют несохранение этих ключевых систем (на самом глубоком уровне реконструкции) одним из двух способов: