ПАЛЕОНТОЛОГИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ, 2014, № 3, с. 3-18
УДК 575.8
ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ -ВОЗМОЖНЫЙ ЭВОЛЮЦИОННЫЙ ПРЕДШЕСТВЕННИК ПОЛОВОГО РАЗМНОЖЕНИЯ?
© 2014 г. А. В. Марков
Палеонтологический институт им. А.А. Борисяка РАН e-mail: markov_a@inbox.ru Поступила в редакцию 08.11.2012 г.
Принята к печати 15.05.2013 г.
При помощи моделирования показано, что горизонтальный перенос генов (ГПГ), сопровождающийся гомологичной рекомбинацией, подобно амфимиксису (половому размножению), повышает эффективность отбраковки вредных мутаций и накопления полезных, а также позволяет организмам иметь больший по размеру геном, не подвергаясь риску необратимого накопления мутационного груза. Эти эффекты максимальны при высокой частоте рекомбинации, что не характерно для прокариот, но свойственно эукариотам с облигатным амфимиксисом. Росту интенсивности ГПГ в ходе эволюции препятствует "суицидальный эффект" генов — модификаторов ГПГ, состоящий в том, что аллели, способствующие ГПГ, замещаются аллелями, препятствующими ГПГ, тогда как обратного замещения не происходит. В результате аллели, препятствующие ГПГ, могут распространяться в генофонде вопреки тому, что они снижают приспособленность индивидов и популяций. Этот "конфликт интересов" разрешается с переходом к полногеномной реципрокной рекомбинации, что устраняет предпосылки для распространения "эгоистичных" модификаторов. Результаты моделирования позволяют предположить, что амфимиксис мог развиться как итог эволюции механизмов ГПГ под действием отбора на повышение интенсивности межорганизменной рекомбинации. Такой отбор предположительно мог усилиться на ранних этапах становления эукариот в связи с увеличением генома и ускорением мутагенеза, вызванным высокими концентрациями O2 и активных форм кислорода, а также предполагаемой инвазией интронов группы II.
DOI: 10.7868/S0031031X14030143
Для большинства эукариот характерен амфимиксис ("половое размножение") — чередование сингамии (слияния гамет) и редукционного деления, проходящего обычно в форме двухшагового мейоза и сопровождающегося гомологичной рекомбинацией (кроссинговером). Происхождение амфимиксиса и причины его широкого распространения являются предметом дискуссии. По сравнению с апомиксисом (бесполым клональ-ным размножением) амфимиксис — более сложный и менее эффективный способ передачи генов потомству. У раздельнополых организмов в типичной ситуации (при соотношении полов 1 : 1 и равных затратах на производство потомков обоих полов) мутантная самка, перешедшая к апомик-сису, получает двойной выигрыш в скорости размножения (Maynard Smith, 1978; Michod, Levin, 1988). Тем не менее амфимиктические формы не вытесняются повсеместно мутантами, перешедшими к апомиксису. Из этого следует, что амфимиксис дает важные адаптивные преимущества, но их природа остается спорной (de Visser, Elena, 2007). Перспективный путь для решения этой проблемы был намечен А. Вейсманом, полагавшим, что половое размножение увеличивает раз-
нообразие потомства, предоставляя материал для естественного отбора (Weismann, 1887). В дальнейшем эта идея уточнялась и конкретизировалась. Математические модели показывают, что амфимиксис может повышать эффективность отбора, разобщая ассоциации между локусами и способствуя как накоплению полезных мутаций (Fisher, 1930; Muller, 1932), так и отбраковке вредных (Muller, 1964; Kondrashov, 1988). Экспериментально подтверждено адаптивное преимущество амфимиксиса при высоких темпах мутагенеза (Chao et al., 1997; Morran et al., 2009), в переменчивых и неблагоприятных условиях (Colegrave, 2002; Goddard et al., 2005; Becks, Agrawal, 2010; Gray, Goddard, 2012), при необходимости вести эволюционную "гонку вооружений" с паразитами (Morran et al., 2009, 2011). Остается неясным, достаточны ли эти и другие выявленные и предполагаемые преимущества амфимиксиса для объяснения его распространенности и эволюционной устойчивости (Kondrash-ov, 1993; Otto, Lenormand, 2002).
Спорным является и вопрос о происхождении амфимиксиса. Обычно постулируется существование предковых апомиктических эукариот, ко-
торые затем постепенно приобрели амфимиксис, пройдя через те или иные промежуточные этапы (Margulis, Sagan, 1986; Kondrashov, 1994; Butter-field, 2000; Wilkins, Holliday, 2009). Однако генетические свидетельства наличия амфимиксиса (ныне или в эволюционном прошлом) обнаружены во всех крупных кладах эукариот, включая таксоны, ранее считавшиеся первично-бесполыми, что позволяет предположить существование амфимиксиса уже у древнейших эукариот (Schurko etal., 2009). На такую возможность указывают древность молекулярных систем, необходимых для амфимиксиса, и их глубокая интегрирован-ность в фундаментальную структуру эукариоти-ческой клетки (Марков, Куликов, 2005; Gross, Bhattacharya, 2010). В данной работе рассмотрены полученные при помощи моделирования косвенные аргументы в пользу того, что появление амфимиксиса могло быть предпосылкой появления эукариот, и что амфимиксис мог развиться из механизмов горизонтального переноса генов (ГПГ) под действием отбора на повышение интенсивности межорганизменной рекомбинации. Хотя параллели между некоторыми типами ГПГ и амфимиксисом очевидны (например, в англоязычной литературе оба явления нередко обозначают одним и тем же термином "секс"), эти явления, как правило, считают аналогичными, но не гомологичными. Лишь недавно начал расти интерес к гипотезам, выводящим амфимиксис напрямую из ГПГ (Gross, Bhattacharya, 2010).
ОПИСАНИЕ МОДЕЛИ
Модель имитирует эволюцию гаплоидных одноклеточных организмов (прокариот или проти-стов), размножающихся делением. В модели используются следующие численные параметры:
1) N — размер популяции (число взрослых особей в каждом поколении);
2) R — число потомков, производимых взрослой особью в каждом поколении. Произведя потомков, взрослая особь погибает. Имитировался основной способ размножения одноклеточных — бинарное деление, поэтому во всех экспериментах R = 2;
3) G — число генов (или генных комплексов) в геноме. Величина G одинакова для всех особей. Подразумевается, что каждый ген имеет какую-то функцию, связанную с жизнеобеспечением организма;
4) f — "эффективность гена". Каждому гену соответствует своя величина f, показывающая, с какой эффективностью ген выполняет свою функцию. Изначально (в поколении 1) всем генам всех особей приписывается значение f = 100. Общая приспособленность особи (среднее значение f ее
генов) обозначается как F, средняя приспособленность особей в популяции — Favg;
5) M — частота мутирования (на один ген за поколение). В ходе размножения каждый потомок получает гены родительской особи, причем с вероятностью M каждый ген может мутировать. Мутации подразделяются на полезные и вредные. Полезные мутации увеличивают величину f гена на случайное число в диапазоне от 0 до 1, вредные — снижают ее на случайное число в диапазоне от 0 до 5;
6) B — доля полезных мутаций. Так, при B = = 0.01 каждая мутация с вероятностью 0.01 будет полезной, с вероятностью 0.99 — вредной;
7) S — степень зависимости смертности от величины F (селективность смертности). Так, при S = 0.7 жизнь или смерть особи на 70% определяется приспособленностью (F), на 30% — случайностью. Молодые особи, родившиеся в данном поколении, ранжируются в порядке убывания величины "эффективной приспособленности": Feffective = S(F; - Fmin)/(Fmax - Fmin) + (1 - S)U, где Fj — приспособленность особи, Fmin — минимальная, а Fmax — максимальная приспособленность молодых особей в данном поколении, U — случайное число от 0 до 1. Первые N особей из списка становятся взрослыми и участвуют в размножении, остальные погибают.
Нормализация, используемая в формуле для вычисления Feffective, обеспечивает зависимость выживания от относительной, а не абсолютной приспособленности. Это соответствует классическим представлениям, согласно которым судьба особи зависит в первую очередь от исхода внутривидовой конкуренции. Кроме того, благодаря нормализации снижение N не ведет к автоматическому росту влияния генетического дрейфа на слабовредные и слабополезные аллели. Соотношение дрейфа и отбора можно регулировать, меняя величину S: при малых S преобладает дрейф, при больших — отбор. Слабое влияние N на эффективность отбора позволяет экстраполировать результаты моделирования на популяции с большей численностью.
При высоких значениях S в популяции действует "отсекающий отбор" (truncation selection) (Crow, Kimura, 1979), порождаемый отрицательным эпистазом (взаимным усилением негативного эффекта вредных мутаций). Причиной отрицательного эпистаза может быть острая внутривидовая конкуренция (de Visser, Elena, 2007; Szathmary, 1993). Экстремальный случай отсекающего отбора соответствует ситуации, когда генотипы с числом вредных мутаций m, меньшим критической величины к, всегда выживают, а генотипы с m > к всегда погибают. Как показал А.С. Кондрашов (Kondrashov, 1982), отсекающий отбор обеспечивает преимущество амфимиксиса
0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
Поколения
Рис. 1. Изменение средней приспособленности (Р^) модельной популяции в течение 200 поколений. а — без горизонтального переноса генов (Т = 0), б — с однонаправленным ГПГ (Т = 0.2), в — с реципрокным генетическим обменом (Т = 0.2; особи случайным образом разбиваются на пары и взаимно обменивают 20% своих генов). Прочие параметры: N = 100, О = 100, М = 0.015, В = 0.1, £ = 0.7, С = 0. При данном наборе параметров без ГПГ модельная популяция вырождается, с ГПГ — процветает (наращивает приспособленность). Реципрокный обмен дает чуть более выраженный позитивный эффект, чем однонаправленный.
над апомиксисом даже в бесконечно большой популяции, где не работают стохастические механизмы, такие как "храповик Мёллера" (Ми11ег, 1964). Хотя в нашей модели эпистаз не заложен в явном виде (каждый локус влияет на Р независимо от других), при 8 = 1 отбор действует по принципу отсечения "худшей" доли (в общем случае 1—1/й) молодых особей, т.е. является отсекающим. При 8 < 0.5 эпистаз исчезает, зависимость смертности от Р становится плавной (а не ступенчатой), и отбор пе
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.