Эволюция на заказ

Когда в 1942 г. Сальвадор Лурия открыл закономерности, согласно которым у E. coli развивается сопротивляемость к вирусам, он получил первые убедительные доказательства случайности и ненаправленности мутаций. С тех пор было проведено огромное число экспериментов как на E. coli, так и на многих других видах. Подтвердилось, что частота мутаций достаточно стабильна. Но результаты некоторых экспериментов на E. coli возбудили у ученых неожиданные сомнения. Что если мутации не так слепы, как принято считать?

Химик Флойд Ромесберг из Научно — исследовательского института Скриппса провел эксперимент и посмотрел, как E. coli приобретает резистентность к антибиотикам. В качестве действующего вещества он выбрал ципрофлоксацин (торговое название — ципро). Впервые этот антибиотик появился еще в 1980–е гг. как перспективная замена старым лекарственным средствам, которые начали терять эффективность. Однако уже через несколько лет после начала применения этого антибиотика появились первые сообщения о резистентных к нему микроорганизмах. При этом в разных частях света устойчивые к ципрофлоксацину бактерии встречаются с разной частотой. В Германии, к примеру, в 2002 г. резистентными к ципро были примерно 15 % E. coli. В Китае в том же году в одном из исследований получились значительно более высокие показатели — 59 %.

Чтобы понять, как появляются у E. coli гены устойчивости к ципрофлоксацину, Ромесберг с коллегами вводили шестинедельным мышам болезнетворный штамм E. coli. После этого они вводили им ципрофлоксацин, и инфекция пропадала — по крайней мере на первый взгляд. Но через три дня она возобновлялась. Когда ученые проверили новые бактерии, выяснилось, что за это время E. coli стала в 50 раз более устойчивой к ципро, чем была в начале эксперимента.

Ципро убивает E. coli, обманом вынуждая ее совершить самоубийство. Известно, что он вмешивается в процесс производства фермента топоизомеразы, который умеет разрезать и вновь сшивать молекулы ДНК. Такое умение становится необходимым бактерии всякий раз, когда ее ДНК запутывается. Ципро не позволяет топоизомеразе завершить работу и сшить разрезанную ею ДНК. Свободные концы разрезанной молекулы привлекают другие ферменты, специализирующиеся на разрушении изолированных кусочков ДНК. Эти ферменты разрушают большую часть хромосомы E. coli и убивают бактерию.

Ромесбергу пришло в голову, что действие ципро может этим не ограничиваться; возможно, он, помимо всего прочего, заставляет E. coli мутировать быстрее. Известно, что E. coli исправляет поврежденную ДНК при помощи ферментов ДНК — полимераз. Бактерия синтезирует два вида ДНК — полимераз: один из них производит исправление (репарацию) молекулы с высокой точностью, а другой — с низкой. Как правило, необходимым исправлением молекул ДНК занимается высокоточная ДНК — полимераза; при этом гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности, блокированы белком, получившим название LexA. Но когда E. coli попадает в критическую ситуацию, все меняется. Если выясняется, что бактерия перегружена большим количеством поврежденной ДНК, LexA освобождает гены ДНК- полимеразы низкой точности, и та тоже принимает участие в репарации ДНК E. coli. Однако работу она делает менее аккуратно и точно, оставляя после себя большее количество мутаций.

Ромесберг подумал: что если эти дополнительные мутации помогают E. coli быстрее развивать устойчивость к ципрофлоксацину? Конечно, в большинстве своем мутации могут оказаться вредными для бактерии, но некоторые могут привести к созданию такой топоизомеразы, которая способна делать свою работу и сшивать ДНК даже в присутствии антибиотика. Возможно также, что эти дополнительные мутации возникают только во время подобных кризисов. Как только E. coli вновь обретет способность резать и сшивать ДНК, количество ее бесхозных кусочков резко уменьшится. LexA вновь блокирует гены, кодирующие ДНК — полимеразу низкой точности, и подавляет их активность, а значит, E. coli возвращается к более аккуратной и точной репарации ДНК.

Ромесберг с коллегами проверил свою гипотезу при помощи весьма остроумного эксперимента. Исследователи создали штамм E. coli, в котором белок LexA постоянно блокировал гены, отвечающие за производство ДНК — полимеразы низкой точности. Столкнувшись с ципрофлоксацином, такие бактерии продолжали как ни в чем не бывало исправлять свою ДНК с высочайшей точностью. Ромесберг и его коллеги ввели полученный штамм мышам, а затем дали им антибиотик. В 2005 г. ученые опубликовали результаты своего эксперимента: E. coli, не способная мутировать чаще, вообще не сумела развить у себя устойчивость к ципрофлок- сацину.

Эксперимент Ромесберга наглядно продемонстрировал, что мутации могут быть не настолько случайными и слепыми, как считалось раньше. Возможно, E. coli, вместо того чтобы пассивно коллекционировать мутации, изобрела способ управлять ими к собственной выгоде.

Первые намеки на существование не слишком случайных мутаций были получены в эксперименте 1988 г., который можно назвать «кругом вода, а с питьем беда». Джон Кейрнс, работавший тогда в Гарварде, вместе с коллегами получил мутантный штамм E. coli, почти совершенно не способный утилизировать лактозу. Его lас — оперон был в полном порядке, a вот последовательность нуклеотидов промотора[20], задача которого — включать оперон, была слегка изменена. Затем Кейрнс и его коллеги перестали давать своим бактериям какую бы то ни было пищу, кроме лактозы. Бактерии перестали размножаться и начали голодать. Однако полностью они все же не вымерли.

Через шесть дней появилось около 100 новых колоний. Кейрнс проверил lас — оперон бактерий и обнаружил у них новую мутацию, которая вновь позволила им включать этот оперон. Но если бы бактерии мутировали спонтанно с обычной частотой, то за это время они, по оценке Кейрнса, успели бы образовать лишь одну колонию. Вывод ученого был прост: подопытные бактерии обзавелись работающими генами в сто раз быстрее, чем можно было ожидать.

«Возможно, у клеток есть способы выбирать, какие именно мутации будут происходить», — констатировали Кейрнс и его соавторы.

«Направленные мутации» — именно под таким названием стало известно это явление — вызвали настоящую бурю. Мысль о том, что E. coli способна в кризисной ситуации заставить мутировать конкретный ограниченный участок ДНК, попахивала ламаркизмом. Критики обвиняли Кейрнса практически в мистицизме: ведь согласно его гипотезе E. coli должна понимать, что мутации конкретного участка ДНК помогут ей справиться с конкретной критической ситуацией. Последовала целая волна новых исследований; ученые пытались понять, что все‑таки происходит.

В конце концов научная общественность пришла к единому мнению: загадочные мутации не являются в строгом смысле слова направленными и не предназначены для достижения какой‑то конкретной цели. У многих бактерий, переживших голод и вновь получивших способность использовать в качестве источника питания лактозу, обнаружились и другие мутации, на этот раз в генах, не имевших никакого отношения к лактозе. Вместо «направленных мутаций» ученые заговорили о «гипермутировании». Добавляя к слову приставку «гипер», они подразумевали, что в критической ситуации частота мутаций у E. coli может подскочить в сто, а то и в тысячу раз. Исследования показали, что ДНК — полимеразы низкой точности и есть те ферменты, которые вызывают дополнительные мутации.

Некоторые ученые утверждают, что гипермутирование — элегантная стратегия борьбы с вымиранием. В нормальных условиях естественный отбор благоприятствует низкой частоте мутаций, поскольку в большинстве своем мутации вредны. Но в критических, стрессовых ситуациях дополнительные мутации резко повышают шансы на то, что вид сумеет — и успеет — случайным перебором вариантов найти выход из кризисной ситуации. Чтобы избежать голода, E. coli не обязательно знать, что для этого хватит одной крохотной мутации в переключателе, который управляет работой генов, участвующих в метаболизме лактозы. Ей просто придется испытать разные варианты изменений ДНК и в конце концов добраться до нужного варианта.

В гипермутировании заключается очевидный риск: вместе с необходимой благоприятной мутацией оно может породить множество мутаций вредных. Сьюзен Розенберг из Бейлоровского медицинского колледжа в Техасе и ее коллеги считают, что E. coli минимизирует этот риск, распределяя его на всю колонию. Когда у E. coli в критической ситуации происходят дополнительные мутации, у каждой отдельной бактерии изменяется литтть один крохотный участок ДНК. Естественно, у разных микроорганизмов эта область мутаций приходится на разные участки молекулы; в противном случае каждая особь получила бы множество неблагоприятных мутаций, рассредоточенных по всему геному. В то же время в многочисленной колонии могут быть одновременно опробованы новые версии едва ли не всех генов. Если хотя бы несколько бактерий наткнется на удачный вариант, эти особи тут же начнут стремительно размножаться.

Возможно, гипермутирование для E. coli — хороший способ справиться со стрессом, но возник этот механизм по совершенно иным причинам. Оливье Тенайон из Национального института здоровья и медицинских исследований Франции указывает, что для синтеза высокоточных ДНК — полимераз требуется немало энергии и материалов.

Может быть, в моменты стресса E. coli просто не может позволить себе роскоши тщательной и точной репарации ДНК. Вместо этого она обращается к ДНК — полимеразам низкой точности. Работают они, конечно, весьма небрежно, но зато E. coli укладывается в энергетическую смету. На самом деле естественный отбор, предполагает Тенайон, благоприятствует вовсе не высокой частоте мутаций, а просто возможности энергетически менее затратного исправления ДНК.

Но даже если кардинальное изменение частоты мутаций у бактерий возникло как побочный эффект, в определенных обстоятельствах оно все же может быть полезным. Тенайон с коллегами продемонстрировал, что у E. coli частота мутаций различается чрезвычайно сильно. В стрессовой ситуации одна бактерия может мутировать в тысячу раз быстрее другой. Должно быть, такой огромной разницей микроорганизмы обязаны генам, отвечающим за гипермутирование, которые могут передаваться от поколения к поколению.

Вполне возможно, что в разных ситуациях естественный отбор подхватывает варианты с разной частотой мутаций. Тенайон и его коллеги отслеживали среднюю частоту мутаций у E. coli при колонизации ею мыши. В самом начале колонизации, когда бактерии испытывали сильный стресс, наибольшее распространение в популяции имели особи с высокой частотой мутаций. Когда же бактериям удавалось основать в кишечнике мыши стабильные колонии, первенство переходило к редко мутирующим особям. Антибиотики, вероятно, также приводят к появлению множества часто мутирующих особей, потому что у них устойчивость к лекарству может появиться быстрее, чем среди бактерий, которые мутируют реже.

Некоторые критики скептически настроены по отношению к направленным мутациям, гипермутациям и их «идеологическим» следствиям. Так, Джон Рот из Калифорнийского университета в Дэвисе и Дан Андерссон из Уппсальского университета в Швеции полагают, что Кейрнс в своих первоначальных экспериментах не открыл ничего необычного. Просто у бактерий, которые он использовал, lас — оперон не был заблокирован полностью и мог все же производить нужные белки, хотя и в очень небольшом количестве; и это позволяло бактериям не погибнуть от голода. При этом вполне могло быть так, что обычная случайная мутация удвоила у одной из бактерий lас — оперон, позволивший ей утилизировать больше лактозы и размножаться быстрее. У кого‑то из потомков этой бактерии могла столь же случайно возникнуть третья копия этого участка ДНК, и естественный отбор в условиях эксперимента подхватил и эту мутацию.

Таким образом, утверждают Рот и Андерссон, E. coli вполне может расширить свою коллекцию генов лактозного оперона посредством всего лишь обычных спонтанных мутаций и естественного отбора. Кстати, по мере роста числа копий lac — о перона вероятность того, что какая‑нибудь случайная мутация восстановит одну из них до нормального рабочего состояния, также возрастает. Бактерии, которым так повезет, внезапно начнут размножаться намного быстрее, чем остальные. Позже новые мутации, возможно, избавят их от лишних дефектных копий, оставив одну нормально работающую. По мнению Рота и Андерссона, этот процесс может создавать иллюзию направленных мутаций при полном отсутствии таковых.

Дебаты на эту тему продолжаются с неослабевающей силой. Следует отметить, что вопрос этот важен как для реальной медицинской практики, так и в научном плане для понимания механизмов жизни. Если для выживания микроорганизмам действительно необходимо регулировать частоту мутаций, то мы, вмешавшись в механизм такого управления, возможно, научимся убивать бактерии более эффективно. Как мы помним, Флойд Ромесберг показал, что, если не дать E. coli повысить частоту мутаций, устойчивость у нее не разовьется. В настоящее время он и его коллеги пытаются разработать на основе своего открытия конкретные методы лечения. Они надеются, что когда‑нибудь человек одновременно с антибиотиком будет принимать особое лекарство, которое не позволит микроорганизмам увеличить частоту мутаций.

Некоторые ученые полагают, что животные и растения способны манипулировать мутациями в любых стрессовых ситуациях. Сьюзен Линдквист с коллегами из Института Уайтхеда в Кембридже (штат Массачусетс) обнаружили, что у плодовых мушек имеется своеобразный буфер, который в какой‑то степени защищает их от последствий вредных мутаций. Так, неблагоприятная мутация может привести к тому, что геометрическая форма, в которую сворачиваются молекулы определенного белка, будет неправильной. Но у плодовой мушки есть белки теплового шока, способные вернуть этим молекулам правильную форму. Линдквист утверждает, что генетическое разнообразие плодовых мушек намного шире, чем было бы возможно без помощи белков теплового шока.

Линдквист обнаружила, что стресс выявляет подобные мутации. Если в окружающей среде поднимается температура или появляются токсические вещества, даже нормальные белки в клетках мух утрачивают нормальную форму. Белки теплового шока работают на пределе возможностей и не успевают придать всем мутантным белкам правильную форму Эти белки могут очень заметно влиять на внешний вид мушек, меняя цвет глаз, форму крыльев или другие части тела.

Линдквист предполагает, что белки теплового шока позволяют мушкам накопить запас мутаций, преимуществами которых мушки могут воспользоваться в моменты стресса, не испытывая при этом в более спокойные времена никаких отрицательных воздействий с их стороны. Проявившаяся в критический момент мутация может оказаться полезной для организма, а дальнейшие мутации, возможно, позволят ей работать и после исчезновения стресса. Линдквист с коллегами нашла аналогичный буфер мутаций у растений и грибов; это позволяет предположить, что такая стратегия обычна для живых организмов. Механизм, предложенный Линдквист, немного отличается от процесса гипермутирования у E. coli, но дает, по существу, те же фундаментальные преимущества: он позволяет обуздать творческий потенциал мутаций и одновременно минимизировать связанные с ними риски.

Но выясняется, что увеличение числа копий генов по Роту и Андерссону является механизмом, применяемым не только лишенной лактозы E. coli. Приобретение дополнительных копий уже имеющегося гена может помочь множеству живых организмов адаптироваться к новым для них неблагоприятным условиям среды.

Представьте, что микроорганизм сталкивается с новым видом питательных веществ, с которым никогда не встречались его предки. Все ферменты, которые он использует при переработке пищи, в результате естественного отбора настроены на расщепление других молекул. Это, впрочем, не обязательно означает, что микроорганизм не способен утилизировать другие соединения; ферменты вообще настраиваются не слишком точно. Фермент, который очень эффективно разрезает на части молекулы одного типа, может расщеплять молекулы и другого типа, но медленнее и более неуклюже. Если в результате мутаций микроорганизм окажется обладателем нескольких копий гена, он сможет расщеплять новые для него молекулы питательных веществ в большем количестве.

Биолог Итиро Мацумура из Университета Эмори показал на примере E. coli, насколько неразборчивыми могут быть ферменты. Мацумура и его коллеги создали 104 штамма E. coli, у каждого из которых не хватало какого‑нибудь абсолютно необходимого для жизни гена. Затем они создали тысячи плазмид, в которых содержалось по несколько экземпляров другого гена E. coli. Исследователи добавляли такие плазмиды к лишенному необходимого гена штамму и смотрели, не смогут ли эти гены заместить ген, удаленный Мацумурой. Ученым удалось «оживить» таким образом 21 из 104 штаммов.

Эксперимент Мацумуры помог обнаружить у E. coli скрытую пластичность, позволяющую ей приспосабливаться к новым условиям. Не исключено, что и другие виды используют подобные возможности своей ДНК. По мере того как в геноме возникают дополнительные копии генов, микроорганизмы получают возможность более эффективно расщеплять новой питательный субстрат, или обезвреживать какой‑то яд, или справляться с беспрецедентно высокой температурой. Со временем одна из копий гена может измениться и обрести намного более эффективную форму; остальные копии после этого могут постепенно исчезнуть.

Умножение генов может играть творческую роль в эволюционном процессе, но оно же может подвергнуть человека смертельной опасности. Подобно E. coli, клетки нашего тела иногда мутируют и (в очень редких случаях) вступают на дорогу в конце которой их ждет превращение в раковые клетки. Они перестают подчиняться механизмам регулирования, сдерживающим рост нормальных клеток. Пока они продолжают делиться и мутировать, новые мутации делают их все более агрессивными и придают способность уходить из‑под удара иммунной системы. Подобно E. coli, пытающейся приспособиться к питанию лактозой, эти клетки сталкиваются в процессе роста с множеством самых разных препятствий. Любая мутация, способная помочь им преодолеть эти препятствия, подхватывается естественным отбором. Мутации умеют создавать дополнительные копии генов, которые позволят клеткам опухоли размножаться быстрее или, к примеру, успешно сопротивляться химиотерапии. Некоторые из этих дополнительных генов могут принять на себя новые функции и сделать тем самым опухоль еще более опасной.

В общем, иногда E. coli слитком похожа на слона, чтобы слон мог чувствовать себя в безопасности.