Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности - Лейн Николас

Рис. 31. “Мозаичная” дыхательная цепь.

Изображены белковые структуры комплекса I (у левого края), комплекса III (слева), комплекса IV (справа) и АТФ-синтазы (у правого края). Все они встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану. Более темные субъединицы, которые почти полностью погружены в мембрану, кодируются митохондриальными генами. Светлые субъединицы, расположенные главным образом на периферии мембраны или вне ее, кодируются ядерными генами. Митохондриальный и ядерный геномы эволюционировали в различных направлениях: митохондриальные гены передавались “бесполым” путем от матери к дочери, а ядерные гены в каждом поколении рекомбинировали при половом процессе. К тому же митохондриальные гены (у животных) накапливают мутации в 50 раз быстрее, чем ядерные. Несмотря на эту тенденцию к расхождению, естественный отбор в целом способен элиминировать дисфункциональные экземпляры, миллиарды лет обеспечивая прекрасную работу митохондрий.

Я хочу, чтобы вы по-настоящему прониклись тем, насколько все это странно. Клеточное дыхание, без которого мы умрем в считанные минуты, осуществляют мозаичные дыхательные цепи из белков, которые кодируются двумя разными геномами. Чтобы достичь кислорода, электроны должны пройти по дыхательной цепи, перескакивая от одного окислительно-восстановительного центра к другому. Как правило, окислительно-восстановительные центры, приняв электрон, сразу же отдают его: электрон прыгает по ним, будто с кочки на кочку на болоте (гл. 2). Окислительно-восстановительные центры спрятаны глубоко внутри дыхательных белков, их точное расположение определяется нуклеотидными последовательностями ядерных и митохондриальных генов. Как уже было сказано, электроны перемещаются путем квантового туннелирования. Они возникают и исчезают в каждом окислительно-восстановительном центре с вероятностью, которая зависит от нескольких факторов: от силы притяжения кислорода (точнее, от восстановительного потенциала следующего по ходу окислительно-восстановительного центра), от расстояния между соседними центрами и от того, занят ли электроном следующий центр. Точное расстояние между окислительно-восстановительными центрами очень-очень важно. Квантовое туннелирование происходит лишь на очень коротких дистанциях – менее 14 Å (напоминаю, ангстрем – это мера длины, примерно равная диаметру атома). Если расстояние между окислительно-восстановительными центрами окажется несколько большим (с тем же успехом оно может быть и бесконечно большим), результат один: вероятность скачка электрона с одного на другой будет стремиться к нулю. В пределах допустимых значений скорость перемещения электрона будет зависеть от дистанции между центрами. А она зависит от того, как между собой взаимодействуют два генома.

При увеличении дистанции между центрами на 1 Å скорость переноса электрона падает примерно в 10 раз. Повторю: скорость переноса электрона снижается в 10 раз с каждым дополнительным ангстремом между окислительно-восстановительными центрами! Это примерно те масштабы, на каких осуществляются электростатические взаимодействия между соседними атомами – например “водородные связи” между отрицательно и положительно заряженными аминокислотами в белках. Если из-за мутации произойдет замена какой-нибудь аминокислоты в белке, водородные связи могут разрушиться или же возникнуть в другом месте. Целые сети водородных связей могут немного сместиться – в том числе те, которые обеспечивают правильное положение окислительно-восстановительных центров. Смещение может составить около ангстрема. Последствия таких сдвигов могут сильно повлиять на квантовое туннелирование: один ангстрем может либо на порядок замедлить перенос электрона, либо ускорить его во столько же раз. Это одна из причин, почему митохондриальные мутации могут быть фатальными.

Опасное положение усугубляется еще и тем, что митохондриальные и ядерные геномы со временем все больше расходятся. Из предыдущей главы мы знаем, что возникновение полового размножения и двух полов могло быть связано с приобретением митохондрий. Половое размножение нужно, чтобы поддерживать в рабочем состоянии отдельные гены в составе больших геномов, тогда как два пола помогают сохранять качество митохондрий. Непредвиденным последствием явилось то, что эволюция этих двух геномов пошла совершенно разными путями. Ядерные гены рекомбинируют в каждом поколении при половом процессе, а митохондриальные гены передаются от матери к дочери через яйцеклетку, рекомбинируя очень редко (если такое вообще бывает). Хуже того: митохондриальные гены эволюционируют в 10–50 раз быстрее ядерных (если сравнивать скорость изменения последовательностей по мере смены поколений) – по крайней мере, у животных. Значит, белки, кодируемые митохондриальными генами, изменяются быстрее и в другом направлении, нежели белки ядерного происхождения. При этом они должны сохранять способность взаимодействовать друг с другом с точностью до ангстрема, чтобы транспорт электронов по цепи был эффективным. Трудно представить более абсурдный способ организации процесса, ключевого для жизни всех существ – дыхания!

Данный пример как нельзя лучше демонстрирует недальновидность эволюции. Это безрассудное решение скорее всего было неизбежным. Вспомните, с чего все начиналось: бактерия, живущая внутри другой бактерии. Без эндосимбиоза, как мы выяснили, сложная жизнь невозможна, потому что только самовоспроизводящиеся клетки способны утрачивать лишние гены, оставляя лишь нужные для локального контроля дыхания. Звучит достаточно убедительно, однако потерю генов ограничивает только естественный отбор – а отбор действует и на клетку-хозяина, и на митохондрии. Что приводит к утрате генов? Отчасти это связано со скоростью репликации: бактерии с самыми маленькими геномами осуществляют репликацию быстрее всех, благодаря чему со временем начинают преобладать. Однако скорость репликации не может объяснить перемещение генов в ядро – лишь утрату генов митохондрией. Мы выяснили, почему митохондриальные гены перешли в ядро: некоторые митохондрии погибали, извергая свою ДНК в клетку-хозяина, а затем эта ДНК проникала в ядро. Этому было сложно помешать. Некоторые из фрагментов ДНК, обосновавшихся в ядре, приобрели сигнальную последовательность, адресный код, который направляет белки обратно в митохондрии.

Может показаться, что такое должно происходить очень редко, однако известно почти 1,5 тыс. белков, адресующихся в митохондрии. По всей видимости, это не так уж трудно обеспечить. Некоторое время копии одного и того же гена должны были присутствовать одновременно в ядре и в выживших митохондриях. В итоге одна из двух копий утрачивалась. За исключением 13 белок-кодирующих генов, оставшихся в митохондриальном геноме (< 1 % исходного генома), всегда сохранялась ядерная копия, а митохондриальная терялась. Не слишком похоже на случайность. Почему же ядерная копия была предпочтительнее? На то есть множество веских причин, но теоретические изыскания пока ничего не подтверждают точно. Одна из причин – увеличение приспособленности самцов. Поскольку митохондрии передаются по женской линии, невозможно отобрать варианты митохондриальных генов, которые повышали бы мужскую приспособленность. Митохондриальные гены, которые случайно оказались полезны для самцов, никогда не передаются следующему поколению. Перемещение таких митохондриальных генов в ядро, откуда они могут передаваться потомкам обоих полов, могло обеспечить повышение приспособленности самцов наравне с самками. К тому же ядерные гены рекомбинируют при половом процессе в каждом поколении – благодаря этому приспособленность может повышаться. Важно и то, что митохондриальные гены физически занимают пространство, в котором лучше разместить машинерию для дыхания или других важных процессов. Наконец, при дыхании образуются активные свободные радикалы, способные вызвать мутации в близлежащей митохондриальной ДНК (позднее мы вернемся к вопросу влияния свободных радикалов на физиологию клетки). Как видите, есть множество причин переместить гены из митохондрий в ядро. Удивительно, что вообще хоть какие-нибудь гены остались митохондриальными.