Значения Ne и Neu по Lynch, 2006; значения плотности интронов по Csuros et al., 2011; для плотности интронов у прокариот прочерк, поскольку сплайсосомы и, соответственно, сплайсосомные интроны у них отсутствуют; значения плотности генов и плотности информации рассчитаны автором.
Генная архитектура эукариот: наглядная демонстрация неадаптивной теории эволюции генома
Эволюция экзон-интронной структуры гена у эукариот (см. также гл. 7) является отличным примером для обсуждения неадаптивной парадигмы популяционной генетики, позволяющим лучше разобраться в теории и ее предсказаниях. Прежде чем мы рассмотрим особенности эволюции генной архитектуры с этой точки зрения, необходимо понять связь между коэффициентом отбора s и грузом вредных мутаций, привнесенным дополнительным элементом генома (Koonin, 2009b; Lynch, 2007b, 2007c). Каждый добавленный в геном элемент увеличивает уязвимость к мутационной инактивации и тем самым «призывает» к отбраковке этого элемента в популяции. Если этот дополнительный элемент требует n нуклеотидов для сохранения функциональности соответствующего гена, это требование, очевидно, открывает возможность для n вредных мутаций, так что мутационный груз составляет s = nu. Опознание и эффективное удаление каждого интрона сплайсосомой требует участия примерно 25–30 нуклеотидов внутри интрона и смежных экзонов, окружающих донорную и акцепторную границы сплайсинга. Тогда условие для фиксации интрона в популяции выглядит как Neu ≪ 1/n или Neu ≪ 0,04.
Сравнивая значения Ne > u и плотности интронов в табл. 8-1, мы сразу видим отличное соответствие между теорией и наблюдениями. Позвоночные с их низкими значениями Neu, очевидно, находятся значительно ниже порогового значения. Действительно, в генах позвоночных наблюдается самая высокая плотность интронов из всех известных. Кроме того, эволюция позвоночных, по-видимому, включает крайне малый оборот интронов, что совпадает с теоретическим предсказанием о недостаточности силы очищающего отбора для устранения интронов в этих организмах. Беспозвоночные и растения находятся немного ниже порога и имеют промежуточные плотности интронов. В разительном контрасте с ними, большинство одноклеточных эукариот лежат выше порога, даже если и ненамного, и демонстрируют резкое падение плотности интронов (см. табл. 8-1).
Позиции многих интронов сохраняются в ортологичных генах животных и растений (см. гл. 7), таким образом, большинство этих интронов представляют наследие LECA. Тем не менее представляется, что позиции интронов сохраняются благодаря слабости очищающего отбора, что исключает эффективную отбраковку интронов у организмов с небольшим Ne, а не из-за ограничений на позицию интрона как таковую
[73]. Более детальный анализ интронов и интрон-экзонных стыков вскрывает дополнительные факты, кажущиеся необъяснимыми на первый взгляд, но, по всей видимости, отлично согласующиеся с предсказаниями теории (Irimia et al., 2007). Примечательно, что все интроны в бедных интронами геномах одноклеточных эукариот имеют почти одинаковые, по-видимому жестко контролируемые малые размеры и консервативные, оптимизированные сигналы сплайсинга на экзон-интронных стыках. Напротив, в богатых интронами геномах, особенно у позвоночных, интроны часто имеют большую длину и ограничены относительно слабыми, субоптимальными сигналами сплайсинга. Дальнейший анализ эволюции экзон-интронных границ наводит на мысль, что сигналы сплайсинга в богатых интронами геномах все же эволюционировали под действием отбора, направленного на их оптимизацию, но этот отбор был слишком слаб, чтобы компенсировать стохастическое отклонение от консенсусных последовательностей, — что прекрасно согласуется с теорией популяционной генетики (Irimia et al., 2009).
Как говорилось в главе 7, эволюционные реконструкции определенно свидетельствуют о том, что уже LECA имел высокую плотность интронов, и основная часть дальнейшей эволюции эукариотных геномов включала в себя потери интронов, которые могли быть либо умеренными, в случае большинства животных и растительных линий, либо чрезвычайно обширными, как у большинства одноклеточных эукариот (Carmel et al., 2007; Csuros et al., 2011). Эпизоды появления новых интронов, по всей видимости, были немночисленны и разбросаны во времени и были связаны с возникновением новых крупных групп организмов, таких как животные. Последствия этого наблюдения в контексте неадаптивной популяционно-генетической теории эволюции генома весьма интересны. Появляется, по крайней мере в принципе, возможность реконструировать динамику популяций по всей истории всех эукариотических линий исходя из наличных и предполагаемых предковых плотностей интронов. Хотя имеющиеся данные недостаточны для детальной реконструкции, рассмотрение величин на рис. 7-8 уже приводит к интересным выводам. Учитывая, что позвоночные имеют лишь слегка большую плотность интронов, чем у LECA, что позвоночные и растения совпадают по многочисленным позициям интронов и что повторное встраивание интронов в предковые позиции в сколько-нибудь значительных масштабах крайне маловероятно, по-видимому, бедных интронами промежуточных звеньев вдоль всей эволюционной траектории от LECA до позвоночных не существовало. Другими словами, наша эволюционная линия ни разу не проходила через этап высокой эффективной численности популяции и, соответственно, интенсивного отбора за все время эволюции эукариот. В несколько меньшей степени это относится и к пути от LECA до растений. Кроме того, эпизоды массового приобретения новых интронов почти наверняка были связаны с популяционными «бутылочными горлышками». Это выглядит весьма логично, если принять во внимание возникновение принципиально новых групп организмов, таких как животные, множества различных инноваций, в том числе обширных дупликаций генов и накопления новых регуляторных элементов, которые возможны только в эволюционном режиме с доминированием дрейфа.
Пожалуй, самый поразительный вывод относится к стволовой фазе эволюции, предшествовавшей LECA и геномной архитектуре ранних предков эукариот, живших до LECA. Оценка, основанная на предположении о «мгновенном» вторжении интронов группы II из эндосимбионта в геном хозяина (см. гл. 7), указывает на столь узкое «бутылочное горлышко» (Ne ≈ 1000, если не меньше), что выживание было бы мало вероятно по чисто стохастическим причинам (Koonin, 2009b). Таким образом, мы вынуждены постулировать до некоторой степени постепенное проникновение интронов в геном хозяина. Тем не менее даже этот сценарий менее разрушительного вторжения предполагает очень длинные и тонкие «бутылочные горлышки» на пути от исходного хозяина эндосимбионта до LECA (см. рис. 8-3). Такое узкое место, вероятно, будет единственным возможным переходом к появлению эукариотической организации клетки, учитывая многочисленные дупликации и другие новшества, необходимые для эукариогенеза.
Все эти выводы недвусмысленно свидетельствуют в пользу неадаптивной популяционно-генетической теории эволюции генома, что, в сочетании с результатами сравнительной геномики, по-видимому, открывает нам окно в эволюционное прошлое, которое иначе трудно было себе представить.
