Геномы венна

Чтобы получить представление о том, насколько E. coli разнообразна как вид, достаточно посмотреть на два штамма — К-12 и 0157: Н7. Бактерия штамма К-12 — домашняя собачка мира микроорганизмов. Она настолько безобидна, что ученые при работе с ней не принимают никаких мер предосторожности; напротив, им приходится защищать ее от грибов и других бактерий. А вот 0157: Н7 — настоящий волк. Она впрыскивает в наши клетки химические соединения, нарушающие их работу, разрушает кишечник и вызывает кровотечения, травит нас токсинами, а иногда отключает целые органы и даже убивает нас. Каждый из этих штаммов опирается на сеть вполне конкретных генов и белков, которые позволяют бактериям благоденствовать в определенной экологической нише, и сети эти сильно различаются между собой. Тем не менее, несмотря на все различия, К-12 и 0157: Н7 происходят от общего предка, жившего, по оценкам ученых, 4,5 млн лет назад — в те времена, когда наши предки были еще прямоходящими человекообразными обезьянами.

В 2001 г. исследователи впервые сумели получить представление о том, как один микроорганизм мог дать начало двум таким разным потомкам. Именно тогда две команды ученых — японская и американская — независимо друг от друга опубликовали полную расшифровку генома штамма 0157: Н7. Появилась возможность сравнить его, ген за геном, с геномом штамма К-12, расшифровка которого была опубликована четырьмя годами ранее. Никто не мог сказать наверняка, что даст такое сравнение.

Еще в 1970–е гг. ученые начали сравнивать небольшие фрагменты ДНК разных штаммов E. coli. Фрагменты оказались практически идентичными как по последовательности генов, так и по расположению в хромосоме. Ученым удалось даже найти соответствующие генные фрагменты в ДНК бактерии Salmonella enterica. На основании этих данных многие ученые полагали, что весь геном E. coli устроен по той же схеме. Им казалось, что эволюционная история E. coli была гладкой и последовательной. Бактерия — предок дала начало множеству линий, некоторые из них эволюционировали в сегодняшние штаммы. В каждой линии, естественно, возникали мутации, часть их подхватывалась естественным отбором; в этом случае мутанты вытесняли менее удачливых родичей. Горизонтальный перенос, возможно, добавил в геном несколько генов от других видов бактерий, но многие ученые, несмотря на работу Ледерберга и Ватанабэ, считали, что такой перенос всегда был редким явлением.

Когда же ученые получили наконец возможность сравнить два генома, удивлению их не было предела. В геноме каждого штамма обнаружились обширные участки ДНК, не имевшие очевидных соответствий со вторым штаммом. Оказалось, что в ДНК штамма 0157: Н7 присутствует 5,5 млн пар нуклеотидов, тогда как у К-12 их всего 4,6 млн. Примерно 1,34 млн пар нуклеотидов штамма 0157: Н7 попросту отсутствуют у К-12, а более чем 0,5 млн пар нуклеотидов К-12 не имеют соответствия в ДНК 0157: Н7. Кроме того, ученые составили карту обоих геномов; картина получилась аналогичная. У штамма К-12 есть 4405 генов, из которых 528 не имеет аналога в геноме 0157: Н7; примерно 1387 генов штамма 0157: Н7 отсутствуют в геноме К-12.

Каждый из рассмотренных геномов напоминает круг на диаграмме Венна[21]. Пересечение кругов штаммов К-12 и 0157: Н7 представляет основу генома — гены, присутствующие в обоих штаммах и унаследованные бактериями от общего предка. После расхождения линий каждая из них приобрела немало новых генов. Речь, разумеется, не только о тех нескольких генах, которые обеспечивают бактерии резистентность к антибиотикам. Оба штамма приобрели сотни «собственных» генов, которые сегодня составляют до четверти их генома.

Через год после расшифровки генома штамма 0157: Н7 еще одна группа исследователей опубликовала расшифровку генома третьего штамма E. coli — CFT073. Он населяет кишечник, не причиняя никому вреда, но при попадании в мочевой пузырь может вызвать болезненную инфекцию. Ученые обнаружили, что геном этого штамма представляет собой третий круг диаграммы Венна для E. coli. У CFT073 есть некоторое количество генов, общих с К-12, которых нет у 0157: Н7. Некоторые его общие с 0157: Н7 гены отсутствуют у К-12. Но для 1623 генов этого штамма ученым не удалось обнаружить соответствия ни в одном из двух других штаммов. В центре новой диаграммы Венна образовалась новая сердцевина из генов, которыми обладают все исследованные штаммы E. coli. Вошло в нее всего 40 % генов. Сердцевина — основа, общая для всех штаммов вида, — сжимается.

К моменту написания этой книги уже секвенированы геномы примерно 30 штаммов E. coli, но гораздо большее число штаммов еще ждет своего исследователя. С каждым новым штаммом ученые открывают десятки и даже сотни новых генов, которых нет больше ни у одного другого штамма бактерии. У каждого есть гены, общие с несколькими другими штаммами. Список генов, общих для всех штаммов E. coli, все укорачивается, в то время как список обнаруженных хотя бы у одного штамма — расширяется. Ученые называют эту совокупность генов E. coli пангеномом. В нем в настоящий момент насчитывается около 11 000 генов, и, по некоторым оценкам, при подобных темпах вскоре их количество может превысить 18 000.

Открытие пангенома E. coli заставило ученых кардинально пересмотреть сложившиеся представления об эволюции этой бактерии. Такие характеристики, как последовательность и упорядоченность, меньше всего подходят для описания истории развития E. coli за последние 30 млн лет. С первых дней существования вида его геном получал стабильную подпитку новыми генами; часть их просто переходила от одного штамма E. coli к другому, а часть поступала извне, от других видов.

Чужеродная ДНК проникает в геном E. coli несколькими путями. Часть ее передается с плазмидами — крохотными кольцевыми ДНК. Часть приносят заражающие E. coli вирусы — иногда всего один — два гена, иногда десятки. Эти генные кассеты, как их иногда называют, представляют собой отнюдь не случайную последовательность нуклеотидов. Как правило, они содержат всю генетическую информацию, необходимую для построения сложной структуры, такой, например, как «шприц» для впрыскивания токсинов. Чужеродные гены становятся частью генома одного из штаммов E. coli и в дальнейшем передаются по наследству от поколения к поколению. А с тонкой настройкой полученных извне генов под конкретный образ жизни бактерии справляется и обычный механизм естественного отбора. Бывает и так, что происходит горизонтальный перенос генов к новому хозяину.

Следует отметить, что вирусы быстро теряют прежнюю репутацию незначительных паразитов. Вирусы — самая многочисленная форма жизни на Земле; их численность в настоящее время оценивается приблизительно в 10 особей — миллиард миллиардов триллионов! Не исключено также, что большая часть разнообразия генетической информации заключена в геноме вирусов. Только в кишечнике человека обитает, по оценкам ученых, около 1000 видов вирусов. А поскольку вирусы способны переносить гены хозяина и встраивать их в ДНК других хозяев, они таким образом создают своеобразную эволюционную матрицу, посредством которой ДНК может передаваться от одного вида другому. Согласно одной из оценок, в океане вирусы передают гены новым хозяевам 2 квадриллиона раз в секунду.

По странному совпадению как раз в то время, когда ученые открывали для себя эволюционное значение вирусов, компьютерщики создали хороший аналог, наглядно демонстрирующий способ их действия. В конце 1990–х гг. в Америке сформировалась группа компьютерных программистов, которых откровенно не устраивали медленные темпы развития программного обеспечения. Корпорации, конечно, разрабатывали новые программы, но при этом тщательно следили за тем, чтобы никто посторонний не увидел их исходного текста. Развитие таких программ могло идти только в рамках корпорации — владельца — и шло медленно, а то и вовсе прекращалось. В 1998 г. эти несогласные компьютерщики выпустили манифест, в котором выступили за создание ПО на новых принципах, которое они назвали программным обеспечением с открытым исходным кодом. Они начали писать программы, полный текст которых был доступен всем желающим. Другие программисты могли переделывать их, как им вздумается, или объединять части разных программ в одну, совершенно новую. Представители движения за программы с открытым кодом предсказывали, что такой неконтролируемый обмен фрагментами текста позволит быстрее разрабатывать качественные и разнообразные программы. Исследования показали, что устранение недоработок и ошибок в программах с открытым кодом тоже идет быстрее, чем в закрытых корпоративных системах. В настоящее время программное обеспечение с открытым кодом — уже не манифест, а реальность. Даже крупные корпорации, такие как Microsoft, начинают открывать миру некоторые свои программные разработки.

В 2005 г. микробиолог из Университета Джорджии Энн Саммерс с коллегами пустила в оборот новый термин для эволюции, главной движущей силой которой служит горизонтальный перенос генов: она назвала это явление эволюцией с открытым кодом. Вертикальный перенос генов и естественный отбор работают примерно как корпоративная команда разработчиков программ; подробности их нововведений скрыты от общества. Горизонтальный перенос генов позволяет E. coli захватывать кусочки программного кода и тестировать их в своей операционной системе. В некоторых случаях новая комбинация означает катастрофу для организма. Программа отказывает, и организм погибает. Но в других случаях дальнейшая тонкая настройка, которую проводит естественный отбор, позволяет новому сочетанию генов работать — и не просто работать, а работать хорошо. Позже этот улучшенный кусочек может попасть в геном еще какого‑нибудь организма и совершенствоваться дальше.

Если судить по E. coli, у движения за открытый код блестящее будущее.