Американские биологи расшифровали эволюционный механизм, позволяющий бактериофагу лямбда в лабораторных экспериментах вырабатывать новый способ заражения бактериальных клеток. Эволюционное новшество возникает в ответ на приобретение бактериями устойчивости к старому способу вирусной атаки, основанному на прикреплении вирусного белка J к бактериальному поверхностному белку LamB. В этой ситуации отбор сначала закрепляет мутации гена J, усиливающие старую функцию. «Платой» за лучшее связывание с LamB становится дестабилизация белка J. В итоге получаются вирусы, у которых при одном и том же геноме белок J может иметь две разные пространственные конфигурации. При этом вирусные частицы с «правильно» свернутым J заражают жертв старым способом, а другие (с таким же геномом, но с «неправильно» свернутым J) делают это по-новому, прикрепляясь к другому поверхностному белку бактерии (OmpF). В дальнейшем оба варианта могут стабилизироваться путем закрепления дополнительных мутаций, что фактически приводит к разделению исходного вируса на два вида. Работа подтверждает старую, но имеющую мало экспериментальных подтверждений идею о том, что новые функции могут развиваться через промежуточный этап дестабилизации фенотипа с последующей стабилизацией («генетической ассимиляцией») удачных ненаследственных отклонений.
Рис. 1. Схема строения и общий вид фага лямбда. Подписаны названия белков (C, D, E, W, B’, FII, U, V, tfa, stf, M, L, J, H); в скобках указано количество молекул данного белка в вирусной частице. За связывание с рецептором — поверхностным белком жертвы (бактерии Escherichia coli) — отвечает белок J, находящийся на конце ножки вируса.
Теоретики давно обсуждают возможную роль дестабилизации фенотипа в появлении эволюционных новшеств. Предполагается, что новшества могут возникать по следующей схеме: «исходный стабильный фенотип → дестабилизирующее воздействие (например, резкое изменение среды) → рост негенетической изменчивости → генетическая ассимиляция удачного фенотипа, то есть закрепление мутаций, стабилизирующих тот вариант фенотипа, который оказался адаптивным в новых условиях». Идея выглядит логичной, однако прямых экспериментальных подтверждений у нее пока немного.
Американские биологи, работающие с бактериофагом лямбда, пополнили коллекцию подтвержденных примеров действенности данного механизма еще одним экспонатом.
Изучалось эволюционное новшество, систематически возникающее у фага λ в определенных условиях. В норме этот фаг заражает своих жертв, кишечных палочек Escherichia coli, прикрепляясь к поверхностному белку (рецептору) LamB. Однако жертвы могут выработать устойчивость к вирусу путем накопления мутаций, снижающих уровень экспрессии этого рецептора. Количество молекул LamB на поверхности бактериальных клеток уменьшается, и вирусу становится не за что ухватиться.
В присутствии устойчивых бактерий вирусы подвергаются интенсивному отбору на способность как можно эффективнее цепляться за те немногие молекулы LamB, которые еще остались. Отбор последовательно закрепляет 4–7 мутаций в вирусном гене, кодирующем белок J. Этот белок располагается на конце ножки вируса и отвечает за прикрепление к LamB (рис. 1).
Неожиданным образом эти мутации не только повышают прочность связи с LamB, но и придают белку J новую способность — прикрепляться к другому поверхностному белку бактерии, OmpF. Фактически вирус вырабатывает новый способ заражения бактериальных клеток. Такие вирусы успешно заражают бактерий, даже вовсе лишенных LamB.
Недавно было показано, что получившиеся вирусы-генералисты (способные заражать своих жертв двумя способами) могут затем снова специализироваться, то есть утратить один из двух способов заражения, оптимизировав другой. Это может привести к видообразованию (разделению на два вида). Хотя у фагов λ нет полового размножения, у них есть рекомбинация — обмен участками генома между вирусами, заразившими одну и ту же клетку. С точки зрения эволюционных последствий это почти то же самое, что и половое размножение. Оказалось, что адаптация к хозяевам, у которых есть только один из двух рецепторов (LamB или OmpF), ведет к разделению вирусов-генералистов на две специализированные группы, каждая из которых способна заражать только один тип жертв. Такие вирусы уже не могут меняться друг с другом генами, потому что в их геномах закрепляются несовместимые мутации. Поэтому их вполне можно считать разными видами.
В ходе нового исследования, результаты которого опубликованы в журнале Science, американские вирусологи разобрались в том, каким образом белку J вирусов-генералистов удается совмещать две функции. У клеточных организмов такие эволюционные изменения обычно происходят за счет дупликации гена с последующим разделением функций между копиями. Но у фагов-генералистов ген J не дуплицирован.
Альтернативный механизм связан с дестабилизацией белка. Авторы предположили, что мутации, закрепившиеся в гене J у фагов-генералистов, внесли элемент хаоса в процесс сворачивания кодируемого белка. Возможно, белок J у фагов-генералистов может принимать две разные конформации, одна из которых связывается с LamB, а другая — с OmpF.
Дестабилизация пространственной структуры белка часто сопровождается снижением его устойчивости к повышению температуры. Поэтому проверку своей гипотезы ученые начали с оценки выносливости вирусов к перегреву. Для этого они в течение часа выдерживали вирусные частицы с разными генотипами при разных температурах (от 37°С — оптимальной температуры для фага λ до смертельных 55°С) и смотрели, какой процент вирусов сохранит жизнеспособность. В эксперименте использовались генотипы, соответствующие разным этапам изученного ранее эволюционного пути от исходного вируса (связывающегося только с LamB) к вирусу-генералисту. Изучаемые вирусы различались только мутациями в гене J, а весь остальной геном у них был одинаковый.
Результаты подтвердили ожидания исследователей (рис. 2). Выяснилось, что мутации в гене J, которые в ходе адаптации вирусов к жертвам с пониженной экспрессией LamB повышали сродство J к LamB, а затем дали возможность связываться также и с OmpF, попутно снижали термостабильность белка J.
Рис. 2. Термоустойчивость вирусных частиц с разными генотипами. По вертикальной оси — доля вирусных частиц, сохранивших жизнеспособность после часа выдерживания при температуре, указанной на горизонтальной оси. Черная сплошная линия — «дикий тип» (0 мутаций), то есть вирус с исходной версией белка J, прикрепляющийся только к рецептору LamB. Черная пунктирная линия — 3 мутации в белке J, повышающие сродство к LamB, но еще не дающие возможности связываться с OmpF. Зеленые линии — генотипы с 4–7 мутациями в J, способные связываться с обоими рецепторами (вирусы-генералисты).
Впрочем, это само по себе еще ни о чем говорит, потому что мутации, меняющие аминокислотные последовательности белков, часто снижают устойчивость белков к перегреву — это дело обычное. Но в данном случае всё оказалась интереснее. Авторы проверили термочувствительность упомянутых выше вирусов — потомков генералистов, которые в ходе дальнейшей эволюции снова стали специалистами, утратив способность прикрепляться к одному из двух рецепторов. У этих вирусов — «вторичных специалистов» в гене J еще больше мутаций по сравнению с исходным вариантом, чем у генералистов. Однако устойчивость к нагреванию у них оказалась такой же высокой, как и у «диких» вирусов. Таким образом, «генерализующие» мутации снизили термостабильность, а «специализирующие» снова ее повысили.
Самый интересный результат был получен, когда авторы проанализировали временную динамику разрушения вирусных частиц при оптимальной для них температуре 37°С. В опыте использовали штаммы с максимальной и минимальной термоустойчивостью, то есть вирусы «дикого типа» и генералистов с семью мутациями (этим двум генотипам соответствуют черная и зеленая сплошные линии на рис. 2). Оказалось, что генералисты со временем разрушаются быстрее, чем «дикие» вирусы. Это ожидаемый результат, потому что от менее термоустойчивых вирусов следует ожидать и меньшей устойчивости при оптимальной температуре. Интереснее другое: исследователи обнаружили, что в течение первых двух суток разрушение вирусов дикого типа идет с постоянной скоростью, тогда как генералисты намного быстрее деградируют в первые сутки, чем во вторые (рис. 3).
Рис. 3. Динамика разрушения вирусных частиц при 37°С. Черные линии — вирусы с исходным генотипом, зеленые — генералисты с семью мутациями в гене J. Видно, что первые разрушаются с постоянной скоростью, а вторые быстрее разрушаются в первый день, чем во второй. Это говорит о разнородности вирусов-генералистов (среди них есть устойчивые и неустойчивые индивиды), хотя генотип у них одинаковый.
Но если все вирусные частицы в выборке одинаковы, то они должны разрушаться с постоянной скоростью. Полученный результат говорит о том, то вирусы-генералисты, по-видимому, представлены двумя разными фенотипами, один из которых неустойчив и разрушается быстро (в основном в течение первого дня), а другой — медленно (примерно с той же скоростью, что и «дикие» вирусы). Однако генотип у всех генералистов один и тот же. Стало быть, речь идет о негенетической изменчивости. Скорее всего, дело тут в разных вариантах сворачивания белка J.
Дальнейшие эксперименты дали ряд косвенных подтверждений этому предположению. Удалось показать, что быстро разрушающаяся фракция вирусов-генералистов преимущественно связывается с OmpF, а медленно разрушающаяся — с LamB. Это видно, например, из того, что по мере разрушения вирусных частиц среди вирусов-генералистов остается все меньше способных связываться с OmpF, в то время как доля связывающихся с LamB растет. А если отобрать те вирусы, которые связались с OmpF, то оставшиеся вирусы, во-первых, лучше связываются с LamB, чем исходная смесь, во-вторых, со временем разрушаются медленнее. Дополнительные эксперименты подтвердили, что изменчивость у вирусов-генералистов действительно негенетическая, то есть ненаследственная.
В итоге вырисовалась следующая схема появления эволюционного новшества. В ходе адаптации к жертвам с пониженной экспрессией рецептора LamB отбор стал поддерживать у вирусов такие мутации в гене J, которые позволяли белку J прочнее связываться с LamB. Это достигалось ценой дестабилизации белка J, который в результате стал иногда сворачиваться неправильно. После приобретения четырех таких мутаций (каждая из которых повышала сродство J к LamB) у белка J появился новый вариант сворачивания, который позволял связываться с другим рецептором — OmpF. Белок с новой функцией возник как один из вариантов фенотипа в рамках негенетической изменчивости. При одном и том же геноме часть вирусов теперь могла связываться с OmpF, в то время как другие обладатели того же генотипа связывались с LamB. Так появились вирусы-генералисты. При этом каждая отдельная вирусная частица намного эффективнее связывалась с одним из двух рецепторов, чем с другим. Генерализация произошла на уровне популяции, а не индивида.
В дальнейшем вирусы-генералисты могут снова специализироваться, попав в подходящие условия (то есть получив доступ к жертвам, у которых есть либо только LamB, либо только OmpF). В ходе специализации закрепляются мутации, повышающие вероятность того, что белок J свернется выгодным в данной ситуации образом. В результате белок J снова стабилизируется, то есть начинает сворачиваться только одним способом. При этом восстанавливается также и устойчивость белка (и всего вируса) к повышенной температуре.
Таким образом, найден яркий пример появления новой функции через промежуточный этап, связанный с дестабилизацией фенотипа. Остается неясным, как часто возникают таким способом эволюционные инновации у вирусов и клеточных организмов. Ответ на этот вопрос должны дать дальнейшие исследования.
Источник: ЭЛЕМЕНТЫ БОЛЬШОЙ НАУКИ
