Горизонтальный перенос генов, универсальные законы геномики и хорошо перемешанный резервуар прокариотических генов

В предыдущей главе мы обсудили несколько универсальных зависимостей между геномными переменными (законы геномики), в частности обратно пропорциональную зависимость между численностью функциональных классов генов и размером семейств паралогичных генов данного класса. Теперь мы не можем избежать вопроса, как относятся между собой законы геномики и ГПГ, который является столь заметным процессом в мире прокариот. Действительно, сравнительный геномный анализ показывает, что генные семейства прокариот формируются в большей мере за счет ГПГ, чем за счет дупликации генов (Treangen and Rocha, 2011). Большинство генов, которые выделяются как паралогичные при анализе одиночного генома, в действительности являются псевдопаралогами (Makarova et al., 2005). Вне зависимости от пути происхождения распределение размера семейств с высокой точностью воспроизводится моделями рождения, смерти и инноваций (см. рис. 4-7). Единственное объяснение этого соответствия, по всей видимости, заключается в том, что темп рождения и смерти генов в действительности пропорционален не размеру семейства в данном геноме, а размеру семейства в резервуаре генов-доноров. Поскольку степенные распределения размера семейств очень близки для всех геномов, резервуар доноров в действительности означает всю вселенную прокариотических геномов. Другими словами, этот аспект структуры вселенной геномов может быть описан в рамках универсального степенного закона распределения размеров семейств генов (очевидно, это распределение весьма отличается от структуры ядра — оболочки — облака, так как оно относится к обширным семействам паралогичных генов, а не строго определенным группам ортологов).

Та же логика применима и к масштабированию функциональных классов генов (то есть зависимости численности классов от общего числа генов, см. гл. 4). Учитывая, что ГПГ вносит основной вклад в генетический состав прокариотических геномов, (почти) универсальные законы масштабирования требуют, чтобы вселенная геномов прокариот рассматривалась как единый резервуар генов. Теорию эволюции, отражающую центральную роль ГПГ, еще только предстоит разработать в явном виде. Однако универсальность законов масштабирования и изложенные выше качественные соображения заставляют предполагать, что в среднем геномная вселенная прокариот является хорошо перемешанным резервуаром генов. Конечно, существуют существенные локальные неоднородности и «скоростные магистрали» ГПГ (см. гл. 6), но в среднем темп перемешивания генов достаточно высок для того, чтобы обеспечить законы универсального масштабирования.

Характерные геномные профили бактерий и архей с различными стилями жизни и неизоморфное отображение генного и функционального пространств

Одной из самых больших надежд, связанных со сравнительной геномикой, является возможность, по крайней мере в принципе, определить «геномные профили» организмов с резко отличающимися стилями жизни (фенотипами), то есть наборы генов, которые необходимы и достаточны для поддержания этих стилей жизни. В имеющейся в настоящее время и быстро растущей коллекции геномов прокариот различные стили жизни часто представлены множественными, сильно отличающимися геномами — таким образом похоже, что подошло время всерьез начать изучение геномно-фенотипических связей. До сих пор в этом направлении можно констатировать лишь весьма скромный успех. Когда стиль жизни связан с хорошо изученным биохимическим путем, таким как у метаногенов или у фотосинтезирующих организмов, идентификация геномного профиля может быть относительно простой задачей. Но даже в этом случае анализ генов, кодирующих белки, вовлеченные, например, в фотосинтез, демонстрирует сложное переплетение признаков, специфичных для стиля жизни и для конкретного таксона. Наиболее полный набор генов для фотосинтеза был зафиксирован у цианобактерий, в то время как другие группы фотосинтезирующих бактерий обладают различными подмножествами этого набора генов (Mulkidjanian et al., 2006).

Геномные профили более сложных фенотипов, таких как термофили или устойчивость к радиации, оказались намного более неуловимыми. Возможно, наиболее настойчивые попытки были посвящены поиску сигналов термофильной адаптации. Примечательно, что был обнаружен один ген, присутствующий во всех секвенированных геномах гипертермофилов, но полностью отсутствующий у мезофилов, и продукт этого гена — белок, абсолютно необходимый для репликации ДНК при экстремально высоких температурах, обратная гираза (Forterre, 2002). Кроме того, геном умеренного термофила Thermus thermophilus (штамм HB27) содержит псевдоген обратной гиразы, в то время как близкородственный ему штамм HB8 содержит работоспособный ген обратной гиразы, что демонстрирует процесс избавления от обратной гиразы после вероятного перехода от гипертермофильного к умеренно термофильному стилю жизни (Omelchenko et al., 2005). Однако поиск других генов, специфичных для термофилов, принес ограниченные результаты. Иных генов, кроме обратной гиразы, показывающих явную корреляцию их присутствия-отсутствия с (гипер) термофильностью, обнаружено не было; для гипертермофильных архей и бактерий нашлось лишь несколько генов, которые существенно чаще присутствовали в их геномах по сравнению с геномами мезофилов (Makarova et al., 2003). Кроме того, было предпринято много попыток определить характерные признаки фенотипа термофилов на уровне нуклеотидных и белковых последовательностей и структур. Хотя эти исследования выявили несколько признаков, потенциально характерных для белков термофилов, таких как высокая плотность заряда и большее, чем обычно, представительство дисульфидных мостиков, реальная значимость каждого из этих признаков остается неопределенной (Beeby et al., 2005). На филогенетических деревьях высококонсервативных генов (см. гл. 6) термофилы часто группируются в одном кластере с мезофилами — так, белки бактерии Thermus группируются вместе с их гомологами из мезофильной бактерии Deinococcus (вспомните, например, известную полимеразу Taq, незаменимое орудие генной инженерии). Эти факты показывают, что общая эволюционная история оказывает намного более сильное влияние на белковые последовательности, чем термофильные (и другие) адаптации. Итоговый вывод подобных исследований заключается в том, что сравнительная геномика до сих пор не в состоянии выявить «секреты» (гипер)термофильного стиля жизни. (Интуитивно можно было бы подозревать, что должна быть существенная разница между геномами, кодирующими организмы с оптимальной температурой роста, превышающей 95 °C, и теми, для которых она составляет 37 °C.)

История поиска особенностей геномов, коррелирующих с экстремальной устойчивостью к радиации и высыханию, может быть даже более показательна. Некоторые бактерии и археи, лучше всего из которых описана бактерия Deinococcus radiodurans, демонстрируют сопротивляемость экстремальному уровню радиации, что, как считается, является побочным эффектом их адаптации к высыханию. Всесторонний анализ генома D. radiodurans напрямую не выявил никаких уникальных признаков генома или систем репарации ДНК, которые могли бы объяснить исключительную способность этих организмов переносить повреждения, вызываемые радиацией, хотя были идентифицированы гомологи белков растений, использующиеся для повышения сопротивляемости высыханию и в то же время не обнаруженные ни у каких других бактерий (Cox and Battista, 2005; Makarova et al., 2001a). Deinococcus radiodurans является популярной экспериментальной моделью, поэтому для описания реакции этой бактерии на высокие дозы облучения впоследствии были предприняты исследования процессов транскрипции и особенностей состава ее белков. Эти исследования возбудили определенный интерес, так как было зафиксировано существенное увеличение экспрессии некоторых экспериментально не исследованных генов, кодирующих белки с предсказанной ролью в процессах, потенциально связанных с радиационной устойчивостью, таких как репарация двойных разрывов в молекулах ДНК (Liu et al., 2003). Однако нокаут этих генов не повлиял на сопротивляемость радиации, в то время как нокаут нескольких других генов, которые не кодируют никаких известных доменов и не экспрессируются на повышенном уровне при облучении, делал организм чувствительным к радиации (Blasius et al., 2008; Cox and Battista, 2005; Makarova et al., 2007a). Сравнительный анализ двух родственных устойчивых к радиации бактерий D. radiodurans и D. geothermalis не только не смог разрешить проблему геномных особенностей, определяющих устойчивость к радиации, но даже еще более запутал ее (Makarova et al., 2007a). Никаких генов, имеющих явное отношение к сопротивляемости радиации, которые бы были уникальными для этих устойчивых бактерий, открыто не было. Более того, ортологи многих генов D. radiodurans, экспрессия которых усиливается в условиях повышенной радиации, попросту отсутствуют у D. geothermalis. Тщательное сравнение структуры оперонов и предполагаемых регуляторных областей в двух геномах Deinococcus позволило предсказать регулон, ответственный за устойчивость к радиации (Makarova et al., 2007a). Однако роль большинства генов, составляющих этот предсказанный регулон, в обеспечении устойчивости к радиации и высыханию остается невыясненной. Главные свойства генома, определяющие устойчивость к радиации, по-прежнему неуловимы, и растет количество свидетельств, демонстрирующих, что важная роль при этом принадлежит генам, которые повышают устойчивость неожиданными косвенными способами, такими как регулирование внутриклеточной концентрации двухвалентных катионов, оказывающих влияние на степень разрушения белков, вызванного облучением или высыханием (Daly, 2009).