Парадоксы эволюции. Как наличие ресурсов и отсутствие внешних угроз приводит к самоуничтожению вида и что мы можем с этим сделать - Алексей Аркадьевич Макарушин

2010), то есть «заквасками» той интронной организации эукариотического генома, которая минимизировала разрушительный эффект ГПГ, а впоследствии, очевидно, стала одним из движителей эволюции у эукариот, полностью, как можно предположить, заменив гипотетическую древнюю систему «ранних» интронов, но сохранив ее идею создания рекомбинантного разнообразия транскриптов РНК и транслятов белков за счет их сборки «по мелким кусочкам».

Критически важной эволюционной инновацией стало формирование синхронизированного удвоения и дальнейшего деления хозяйского и паразитического (архейного и бактериального) начал в эукариотической клетке, то есть ядра и митохондрий. Переизбыток митохондрий в результате их ускоренного деления ведет к быстрому истощению ресурсов клетки и в первую очередь отражается на них самих. Ускоренное деление ядра без соответствующего увеличения числа митохондрий ведет к их утрате в большей части последующих поколений.

Клетка без митохондрий кажется более энергетически уязвимой, более восприимчивой к внешним опасностям, хотя эти риски в определенных условиях могут оказаться и некритическими. Выглядит так, что синхронизация митохондриального размножения и клеточного деления для поддержания целостности эукариотической индивидуальности в первую очередь затрагивает интересы митохондрий и поэтому оказывается в своего рода их ответственности. Именно они сформировали аппарат контроля клеточного деления, основанный, в частности, на системе белка р53 (или его аналогов). Возможно, «раскольцовывание» эукариотических хромосом, превращение их в линейные также позволило создать более строгий контроль их репликации, в том числе через радикальное сокращение мест (сайтов) ее начала. Выход ядерного деления из-под контроля митохондрий чреват очень серьезными последствиями для эукариотической клетки как единой информационной сущности, особенно в составе многоклеточного организма (БОН: глава XV).

Быстро достигнутое за счет удачного симбиоза энергетическое совершенство, если не энергетическая избыточность эукариот, дало им возможность нести увеличенные энергетические затраты на репликацию практически неограниченного количества, казалось бы, бессмысленного генетического груза. Тем не менее именно этот груз в дальнейшем позволил:

• радикально снизить риски попадания генетического материала паразитов в критические участки генов;

• создать механизм интронного сплайсинга – возможности перегруппировки составных частей одного гена, позволяющих варьировать его функциональность;

• поддерживать «библиотеку» генетических кодов, бессмысленных в настоящем, но потенциально полезных в будущем.

Кроме того, почти полное избавление от ГПГ заставило первых эукариот активно искать и в эволюционном масштабе времени сравнительно быстро найти новые механизмы обеспечения адаптационной изменчивости. Таковыми, в частности, оказались механизмы мультипликации (чаще – дупликации) генов и, в развитие этого направления эволюции – редукционного деления (мейоза, то есть деления с двойным уменьшением генетического материала и образованием половых клеток – гамет) с последующим обменом генетическим материалом от двух протородителей при восстановлении «нормального» количества генетического материала. Обмен генетическим материалом с его рекомбинацией (кроссинговером) позволял успешно решить проблему не столько накопления мутаций, сколько ускорения положительного отбора за счет появления при каждом «рождении» в результате полового процесса генетически совершенно нового организма. Кольцевым хромосомам, похоже, в силу возникающих в них механических напряжений, очень сложно обеспечить правильную рекомбинацию и последующее расхождение. Конечной платой за эту новую молекулярно-генетическую инновацию стал отказ от кольцевых хромосом прокариот и переход к линейным эукариотическим хромосомам. Но не исключено, что, напротив, появление линейных хромосом из необходимости кратно усиленного контроля их удвоения предопределило возможность их облегченной рекомбинации.

В любом случае как прямое следствие этого возникла проблема репликации открытых концов хромосом, так как абсолютно все ДНК-полимеразы в природе требуют посадочной площадки-«затравки» и, соответственно, не умеют начинать удвоение ДНК с самого первого ее нуклеотида. Получается, что при каждом удвоении ДНК заметно укорачивается. Специальный фермент теломераза, присутствующий у всех без исключения эукариот, существенно замедляет этот процесс, «переписывая» недостающую после деления ДНК с помощью связанной с ней небольшой РНК. Эта обратная транскрипция стала возможной, как ни странно, благодаря тем же самосплайсирующимся интронам группы II: Теломераза – прямая наследница входящей в их состав обратной транскриптазы (Autexier C. and Lue N. F., 2006).

Полностью проблема укорочения хромосом теломеразами не решается. Это дает основание многим исследователям считать теломеразы теми часиками, которые отсчитывают время предстоящей жизни клетки. Кроме того, с возникновением интенсивного перемешивания генетического материала возникла и проблема невозможности нахождения в одной клетке нескольких значительно отличающихся вариантов функционально идентичных митохондриальных генов, так как механизм регулирования оптимальной работы ЭТЦ митохондрий требует чрезвычайно тонкой настройки и взаимодействия между генами ЭТЦ, которые обязательно должны быть локализованы только в митохондриях и генами, локализованными в ядре (УПС: глава II).

Родительские комбинации этих генов доказали свою жизнеспособность хотя бы тем, что «дожили» до времени полового размножения. Детским же комбинациям генов – от двух родительских ядерных и двух родительских митохондриальных – часто сложно найти общий язык в рамках одного клеточного жилища, будь оно коммунальной квартирой или архейным замком. Решение возникло в виде системы асимметрического слияния клеток гамет, когда одна родительская клетка отдает наследнице свою половину ядерных генов и все митохондриальные («материнская»), а другая – только половину ядерных генов («отцовская»). Этот момент эволюции можно считать отправной точкой возникновения полов, секса и запутанных гендерно-социальных отношений.

Альтернативный вариант решения проблемы с сохранением всех ключевых генов ЭТЦ непосредственно в митохондриях ведет к еще более быстрому нарастанию митохондриальной гетероплазмии (митохондриальных различий) вследствие крайне агрессивного влияния массово образующихся в ЭТЦ АФК на ДНК, что выражается в лавинообразной деградации митохондриальных генов вследствие худших, по сравнению с ядром, условий для контроля мутаций. Кроме того, митохондриальный геном по своей организации также гораздо хуже по сравнению с ядерным защищен от генетического прессинга никуда не девшихся, просто чуть подальше пасущихся паразитов (хотя прямые вирусы митохондрий – митовирусы – пока обнаружены только у грибов и некоторых растений (Nibert M. Let al., 2018).

Интересно, что асимметричным может быть не только клеточное слияние, но и деление. Так, асимметрически делятся стволовые и плюрипотентные, то есть способные «выбирать» разные пути дифференцировки, клетки многоклеточных организмов: одна из дочерних клеток остается стволовой или плюрипотентной, другая начинает линию дифференцировки в специализированные клетки.

Гипотеза бессмертной линии (The Immortal Strand Hypotesis, Cairns J., 1975, Rando T. A., 2007) предполагает, что в линиях стволовых клеток, своего рода местных эрзац-зародышевых линиях, образующиеся в результате репликации две цепи ДНК – «старая», «материнская», на которой произошел синтез новой, и новая, «дочерняя», распределяются между дочерними клетками неслучайным образом: материнская ДНК остается у эрзац-стволовой «дочери», новая же ДНК, скопированная с возможными ошибками, переходит «дочери», предназначенной для дифференцировки в «рабочую» функциональную клетку с активным специализированным метаболизмом, который, как любая тяжелая работа, может ее быстро состарить и, в конце концов, убить. Поэтому появление мутаций в такой клетке, согласно этой гипотезе, может считаться более безопасным, чем появление и накопление мутаций в делящейся стволовой клетке, «бессмертной» на горизонте жизни организма.

Этот