2020-06-12
56
Эволюция – вечный поиск компромисса между противоречивыми требованиями, предъявляемыми организму сложной и переменчивой средой. В эволюции, как и в экономике, не бывает (ну, почти не бывает) «бесплатных обедов»: чтобы приобрести что‑то одно, приходится отказаться от чего‑то другого – либо от уже существующих полезных признаков, либо от возможности их приобретения в будущем. Второй вариант встречается чаще, поскольку отбор не заглядывает в будущее и не замечает таких потерь. Но и первый вариант нередок. К приобретению симбионтов это тоже относится: чтобы принять ценного гостя, порой приходится поступиться чем‑то важным, например средствами защиты от похожих, но вредных «гостей».
РНК‑интерференция – распространенный у эукариот защитный противовирусный механизм. Ключевую роль в РНК‑интерференции играют белки Dicer и Argonaute. Система срабатывает, когда в клетке появляются двухцепочечные молекулы РНК (обычно это означает, что клетка заражена вирусом). Белок Dicer атакует двухцепочечную РНК и вырезает из нее короткие фрагменты, которые присоединяются к белку Argonaute. Образовавшийся комплекс из белка и короткой РНК находит и уничтожает любые молекулы РНК, содержащие такую же последовательность нуклеотидов, как в коротком фрагменте.
РНК‑интерференция используется в экспериментах как удобный способ «выключения» генов. Достаточно ввести в клетку искусственно синтезированные двухцепочечные молекулы РНК с последовательностью нуклеотидов, соответствующей фрагменту какого‑нибудь гена, чтобы все матричные РНК, считанные клеткой с этого гена, были уничтожены. В результате ген оказывается фактически выключенным: кодируемый им белок не синтезируется.
Эта замечательная методика, однако, неприменима к одному классическому лабораторному объекту – пекарским дрожжам Saccharomyces cerevisae. Этот вид дрожжей и несколько его ближайших родственников не имеют системы РНК‑интерференции. Правда, недавно американские биологи обнаружили, что этот недостаток можно исправить. Для этого достаточно пересадить дрожжам гены белков Dicer и Argonaute от чуть более дальнего родственника – S. castellii, у которого система РНК‑интерференции находится в рабочем состоянии. Действующую систему РНК‑интерференции обнаружили и у других родственных видов (Drinnenberg et al., 2009). Это значит, что у предков пекарских дрожжей система тоже была исправна и по эволюционным меркам «сломалась» лишь недавно.
Что же заставило пекарские дрожжи отказаться от противовирусной защиты? Или, говоря более корректным языком, почему отбор не отсеял мутации, нарушившие работу системы РНК‑интерференции у предков S. cerevisae?
Чтобы ответить на этот вопрос, авторы, ранее открывшие РНК‑интерференцию у S. castellii, провели эксперименты с пекарскими дрожжами, у которых способность к РНК‑интерференции была восстановлена путем пересадки двух генов от S. castellii. Генно‑модифицированные дрожжи выращивали на 50 разных средах. Везде они размножались с такой же скоростью, что и «дикие» дрожжи без РНК‑интерференции.
Зато обнаружилось, что S. cerevisae с восстановленной способностью к РНК‑интерференции быстро теряют свой симбиотический вирус, который живет в их цитоплазме в виде комплекса из нескольких двухцепочечных молекул РНК. Этот вирус, известный под названием killer (убийца), содержит в своем геноме ген токсичного белка и одновременно защищает клетку, в которой находится, от действия токсина. Яд выделяется дрожжами в окружающую среду и убивает те дрожжевые клетки, у которых нет симбиотического вируса‑убийцы. Это классическая система «яд – противоядие», которую используют многие симбионты и паразиты, чтобы повысить конкурентоспособность хозяина (как в данном случае) или чтобы не дать ему от себя избавиться.
РНК‑интерференция разрушает двухцепочечную РНК вируса‑убийцы. В результате дрожжи теряют способность вытеснять конкурентов, не имеющих вируса‑убийцы, и становятся беззащитными перед конкурентами, у которых такой вирус есть. Таким образом, отсутствие РНК‑интерференции дает дрожжам преимущество, позволяя им содержать в своих клетках полезный вирус.
Применимы ли эти выводы к другим грибам? Авторы провели целенаправленный поиск генов РНК‑интерференции в геномах грибов, у которых есть вирусы‑убийцы, а также поиск таких вирусов у грибов, о которых уже было известно, что РНК‑интерференция у них есть.
Выяснилось, что между наличием вирусов‑убийц и РНК‑интерференции существует строгая отрицательная зависимость. У всех видов, имеющих вирусы‑убийцы, нет РНК‑интерференции. При этом родственные виды могут обладать РНК‑интерференцией, но тогда у них наверняка нет вирусов‑убийц.
Утрата генов РНК‑интерференции произошла независимо в девяти эволюционных линиях грибов. В четырех случаях из девяти это сопровождалось приобретением вирусов‑убийц. Случаев повторного приобретения генов путем ГПГ выявлено не было.
Почему РНК‑интерференция была потеряна в пяти линиях, в которых вирусов‑убийц обнаружить не удалось? Пока неизвестно. Может быть, такие вирусы были у их предков, но потом потерялись (как это произошло и в некоторых природных популяциях дрожжей).
Все девять случаев утраты РНК‑интерференции произошли недавно: они приурочены к самым верхним, концевым веточкам эволюционного дерева. Если какие‑то грибы и утрачивали РНК‑интерференцию в более далеком прошлом, их потомки не дожили до наших дней. Возможно, это означает, что потеря РНК‑интерференции в долгосрочной перспективе оказывается проигрышной стратегией и ведет к вымиранию (Drinnenberg et al., 2011).
