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.
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». Об этой модели подробно рассказано в новости Дестабилизация развития — путь к эволюционным новшествам («Элементы», 13.07.2009). Идея выглядит логичной, однако прямых экспериментальных подтверждений у нее пока немного (см. ссылки в конце новости).
Американские биологи, работающие с бактериофагом лямбда (см. Lambda phage), 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 (J. R. Meyer et al., 2012. Repeatability and Contingency in the Evolution of a Key Innovation in Phage Lambda).
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 (J. R. Meyer et al., 2016. Ecological speciation of bacteriophage lambda in allopatry and sympatry). 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.
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.
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: Katherine L. Petrie, Nathan D. Palmer, Daniel T. Johnson, Sarah J. Medina, Stephanie J. Yan, Victor Li, Alita R. Burmeister, Justin R. Meyer. Destabilizing mutations encode nongenetic variation that drives evolutionary innovation // Science. 2018. V. 359. P. 1542–1545.