В 2005 г. микробиолог из Университета Джорджии Энн Саммерс с коллегами пустила в оборот новый термин для эволюции, главной движущей силой которой служит горизонтальный перенос генов: она назвала это явление эволюцией с открытым кодом. Вертикальный перенос генов и естественный отбор работают примерно как корпоративная команда разработчиков программ; подробности их нововведений скрыты от общества. Горизонтальный перенос генов позволяет E. coli захватывать кусочки программного кода и тестировать их в своей операционной системе. В некоторых случаях новая комбинация означает катастрофу для организма. Программа отказывает, и организм погибает. Но в других случаях дальнейшая тонкая настройка, которую проводит естественный отбор, позволяет новому сочетанию генов работать — и не просто работать, а работать хорошо. Позже этот улучшенный кусочек может попасть в геном еще какого‑нибудь организма и совершенствоваться дальше.
Если судить по E. coli, у движения за открытый код блестящее будущее.
Откуда берутся убийцы
Наряду с множеством усовершенствований для человека эволюция с открытым кодом означает множество новых болезней. Когда Киёси Сига открыл шигеллу, он считал ее отдельным видом, и несколько поколений ученых после него также рассматривали эту бактерию как отдельный вид. Только в 1990–е гг., начав разбираться в геноме, исследователи поняли, что на самом деле шигелла — всего лишь особенно зловредная для человека форма E. coli. Детальное сравнение показало, что шигелла — это множество различных штаммов, причем многие из них ближе к безобидным штаммам E. coli, чем к своим собратьям, другим штаммам шигеллы. Иными словами, Shigella не является биологическим видом. Это даже не штамм. Это, скорее, форма существования, к которой пришли несколько отдельных линий E. coli.
Как правило, штаммы шигеллы стали результатом развития менее изощренных паразитов. Их предки закреплялись на поверхности клеток кишечного эпителия и вводили внутрь клетки — хозяина химические вещества, которые заставляли ее выпустить наружу часть содержимого. (Многие штаммы E. coli и сегодня ведут примерно такой образ жизни.) Со временем предки шигеллы обзавелись новыми генами, которые позволили им внедряться в клетки и двигаться внутри них, избегая таким образом внимания иммунной системы и манипулируя ею. Все эти инновации появились не одномоментно и не у одной линии E. coli. Это происходило много раз.
Следует заметить, что для шигеллы важны не только те гены, которые она приобрела в процессе эволюции, но и те, что потеряла. К примеру, жгутики, конечно, прекрасно подходят для путешествия по кишечнику, но бесполезны внутри клетки — хозяина. В результате ни один из штаммов шигеллы не умеет образовывать жгутики, хотя у них и сохранились блокированные версии необходимых для этого генов. Кроме того, у шигеллы имеются блокированные гены для расщепления лактозы и других сахаров, которыми она давно уже не питается. Отказалась она и от фермента под названием кадаверин, который другие штаммы E. coli производят для защиты от кислоты. (Другие бактерии производят эту отвратительно пахнущую субстанцию при питании тканями трупа — отсюда и название.) Для шигеллы кадаверин попросту вреден, потому что он замедляет миграцию иммунных клеток сквозь стенку кишечника. Шигелла же заинтересована в миграции этих клеток — ведь через проходы, открываемые иммунными клетками, она проникает в ткани кишечника, где и внедряется в клетки. В результате у всех штаммов шигеллы один из генов, необходимых для синтеза кадаверина, отключен.
Другие штаммы E. coli произвели на свет целый набор патогенных микроорганизмов, и их геномы до сих пор несут следы этой трансформации. Горизонтальный перенос, потеря генов и естественный отбор тоже сыграли свою роль в этих процессах. Ученые, изучающие E. coli 0157: Н7 — штамм, которым человек может заразиться, съев, к примеру, загрязненные шпинат или гамбургер, — восстановили эволюцию этой бактерии практически шаг за шагом. Ее предки были далеко не так патогенны, но около 55000 лет назад они были инфицированы целым набором вирусов, каждый из которых добавил новое оружие к арсеналу бактерии. К примеру, ген, кодирующий сильнодействующий токсин, который делает штамм E. coli 0157: Н7 столь опасным, располагается между генами вируса. Этот вирус встроился в геном E. coli совсем недавно, поэтому он все еще производит новые вирусы, которые способны покидать бактериальную клетку.
Однако ученые, исследующие E. coli 0157: Н7, столкнулись со странным парадоксом. Другие болезнетворные штаммы E. coli, такие как Shigella, очень хорошо адаптированы к жизни в организме человека и редко обнаруживаются в организме других видов. Но с E. coli 0157: Н7 все наоборот. В организме человека она появляется редко (за что мы определенно можем быть ей благодарны), зато прекрасно себя чувствует в кишечнике коров и других домашних животных. Для нас она может оказаться смертельной, им же не наносит никакого вреда. Иными словами, к этим животным она адаптирована как безвредный жилец — нахлебник. Тот факт, что токсины E. coli 0157: Н7 вызывают у человека смертельно опасную болезнь, — всего лишь эволюционная случайность, ведь мы не являемся для нее обычными хозяевами.
Но если E. coli 0157: Н7 производит токсины не для того, чтобы использовать нас, то зачем она вообще носит в себе эти гены? Исследователи предположили, что бактерия вырабатывает этот токсин, чтобы помочь животному- хозяину. Ученые из Университета Айдахо обнаружили, что овцы, инфицированные E. coli 0157: Н7, лучше противостоят вызывающим рак вирусам, чем овцы без этого штамма. Может быть, E. coli 0157: Н7 стимулирует иммунную систему овец, а может, даже вызывает самоубийство клеток, зараженных канцерогенным вирусом, прежде чем они успевают образовать опухоль. Но возможно, что этот токсин — средство защиты самой бактерии. Может быть, при атаке простейших на колонию E. coli именно тем, кто вырабатывает этот токсин, удается отбиться от хищников.
Хотя E. coli 0157: Н7, возможно, приспосабливалась в ходе эволюции не к человеческому телу свою роль в преуспевании этого штамма человек все же сыграл. Исследования генома E. coli 0157: Н7 показывают, что это очень молодая эволюционная ветвь: всем ее наиболее распространенным формам меньше тысячи лет. Ученые полагают, что человек, одомашнив животных, создал идеальные условия для процветания E. coli 0157: Н7. Хозяева этой бактерии большую часть года стали проводить в большой скученности на фермах; там у E. coli, которую они выделяли с экскрементами, были гораздо лучшие шансы найти себе нового хозяина, чем если бы те же коровы обитали в дикой природе. В последние несколько столетий с увеличением поголовья скота произошел резкий рост численности E. coli 0157: Н7: сначала при появлении коров в Новом Свете и позже, когда началось промышленное разведение скота и в одном помещении стали содержать большое число животных. При этом бактерия благодаря нашим усилиям не просто размножилась и распространилась — не исключено, что она стала эволюционировать быстрее, потому что вирусы тоже получили возможность путешествовать от бактерии к бактерии, порождая все новые варианты штамма E. coli 0157: Н7.
Но эволюция E. coli — это не дорога в один конец, на которой безвредная бактерия неизбежно превращается в смертельно опасного паразита. Некоторые из самых смирных штаммов E. coli, наоборот, произошли от ее патогенных разновидностей. Один из таких штаммов — АО 34/86 — защищает хозяина от бактерий, вызывающих диарею. Врачи иногда прописывают его недоношенным детям, чтобы защитить их недоразвитый кишечник. В 2005 г. ученые опубликовали расшифровку генома штамма АО 34/86. Они обнаружили гены, отвечающие за синтез убивающих клетку факторов, белков, вызывающих кровотечения, и других видов оружия, которые активно используют 0157: Н7 и прочие смертельно опасные штаммы. Судя по всему, АО 34/86 использует все свои темные возможности нам во благо: он основывает колонии в кишечнике младенца и таким образом лишает болезнетворные штаммы возможности найти место для поселения. Мы, конечно, можем попытаться разграничить природное разнообразие и четко разделить E. coli на убийц и защитников. Но эволюция не склонна к однозначности и всегда размывает границы.
Одна жизнь, множество хозяев
Еще один пример размывания границ — тот рубеж, который пролегает между E. coli и инфицирующим ее вирусом. Эта граница кажется очевидной, когда видишь, как из лопнувшей оболочки E. coli выходят наружу сотни вирусов, чтобы заразить нового хозяина. В такой ситуации легко думать о них как о двух отдельных организмах. Но взаимоотношения E. coli с вирусами гораздо сложнее и многограннее. К примеру, умеренные бактериофаги могут, по крайней мере на время, встраиваться в хромосому микроорганизма. Но и здесь вирус еще держится за собственную идентичность. Он способен ощутить, когда хозяин начинает плохо себя чувствовать, и как раз в этот момент возвращается к привычной форме вируса- убийцы. А есть вирусы, которые тащат с собой груз генов, приносящих пользу хозяину, но бесполезных для них самих. Когда они встраиваются в геном E. coli, трудно определить, где кончается геном вируса и начинается геном хозяина. Некоторые вирусы оказываются пойманными в ловушку, навеки встроившись в геном E. coli благодаря мутациям, которые лишают их способности собирать новые вирусные частицы. Со временем мутационный процесс может привести к утрате большей части вирусной ДНК. Нетронутыми остаются лишь те гены, которые приносят хозяину пользу. Теперь с вирусами их связывает только происхождение.
Одна жизнь, множество хозяев
Еще один пример размывания границ — тот рубеж, который пролегает между E. coli и инфицирующим ее вирусом. Эта граница кажется очевидной, когда видишь, как из лопнувшей оболочки E. coli выходят наружу сотни вирусов, чтобы заразить нового хозяина. В такой ситуации легко думать о них как о двух отдельных организмах. Но взаимоотношения E. coli с вирусами гораздо сложнее и многограннее. К примеру, умеренные бактериофаги могут, по крайней мере на время, встраиваться в хромосому микроорганизма. Но и здесь вирус еще держится за собственную идентичность. Он способен ощутить, когда хозяин начинает плохо себя чувствовать, и как раз в этот момент возвращается к привычной форме вируса- убийцы. А есть вирусы, которые тащат с собой груз генов, приносящих пользу хозяину, но бесполезных для них самих. Когда они встраиваются в геном E. coli, трудно определить, где кончается геном вируса и начинается геном хозяина. Некоторые вирусы оказываются пойманными в ловушку, навеки встроившись в геном E. coli благодаря мутациям, которые лишают их способности собирать новые вирусные частицы. Со временем мутационный процесс может привести к утрате большей части вирусной ДНК. Нетронутыми остаются лишь те гены, которые приносят хозяину пользу. Теперь с вирусами их связывает только происхождение.
Чтобы разобраться в непростых отношениях между E. coli и ее вирусами, полезно на время отказаться от обычной для человека позиции «я и все остальные» и подумать о жизни как о сложном и запутанном потоке генов. Гены, переносимые вирусом, в любой конкретный момент представляют собой сообщество эволюционных партнеров, чья совместная приспособленность выше, чем приспособленность любого из них в отдельности. Некоторые из этих сообществ благоденствуют лишь за счет того, что внедряются в хозяина и используют его для воспроизводства себе подобных. Но иногда случается, что интересы вируса и E. coli совпадают. К примеру, гены вируса будут тиражироваться успешнее, если вирус не станет убивать своего хозяина. Некоторые вирусы превращаются в своего рода странствующих добрых самаритян, приносящих с собой множество генов, полезных для хозяина, а в конечном итоге и для них самих. Путешествуя от одного биологического вида к другому, они испытывают все новые комбинации генов, и отбор подхватывает те из них, которые оказываются наиболее благоприятными для хозяина.
Отношения между вирусом и бактерией могут быть достаточно сложными; отношения вообще сложная штука. Так, вирус может быть одновременно полезным и вредным для своего хозяина — E. coli. К примеру, E. coli 0157: Н7 несет в себе гены вируса, в числе которых и ген, отвечающий за производство токсина. Возможно, бактерии получают пользу от производства токсина, поскольку он помогает защищаться от хищников; но для конкретных микроорганизмов, занимающихся его производством, ситуация выглядит далеко не так радужно. Вирус вынуждает микроорганизм производить одновременно и молекулы токсина, и новые копии самого вируса, и E. coli делает это, пока не лопнет.
Решение о производстве токсина принимает вирус, а не E. coli. Бактерия вырабатывает токсин в моменты стрессовых воздействий — именно поэтому врачи, как правило, при заболевании, вызванном E. coli 0157: Н7, не прописывают антибиотики. Лекарства стимулируют выход вирусов из клеток хозяина и тем самым превращают болезнь, которая могла ограничиться приступом кровавого поноса, в потенциально смертельное заболевание с отказом некоторых органов. Тот факт, что вирус, размножаясь, убивает хозяина, пробуждает в нас едва ли не жалость к E. coli 0157: Н7. Бактерия — точно такая же жертва вируса, как и человек. Даже после убийства первоначального хозяина вирусы продолжают наносить E. coli вред. Заражая обитающие в нашем кишечнике безвредные E. coli, они превращают их в фабрики по производству новых вирусов — и, разумеется, токсинов. Выработка токсинов после нападения вирусов на безвредные бактерии может возрасти тысячекратно.
Другие вирусы используют для выживания иные стратегии, не менее жестокие по отношению к E. coli. Вместо того чтобы убивать хозяина, они берут его в заложники. Один из таких вирусов — Р1 — несет ген, отвечающий за производство рестрикционного фермента, или рестриктазы. Рестриктаза находит в молекуле ДНК определенный участок, прикрепляется к нему, а затем разрезает ДНК в этом месте. Тем не менее вирус Р1 обычно не убивает E. coli. Для этого он синтезирует второй белок, который защищает бактерию от рестриктазы. Этот белок — ДНК — модифицирующий фермент метилаза — метилирует ДНК на тех же участках, где работает рестриктаза.
Почему вирус Р1 производит одновременно токсин и антидот? Как и многие вирусы, он встроен в плазмиды E. coli. Всякий раз, когда инфицированный микроорганизм делится, он создает новые копии и собственной ДНК, и плазмид, несущих на себе Р1; их наследуют оба потомка. Иногда, однако, происходит ошибка, и все плазмиды достаются только одному из них. Другая, свободная от вирусных плазмид бактерия, могла бы победить в соревновании за выживание, потому что ей не приходится тратить дополнительную энергию на копирование вирусной ДНК и производство его белков. Поэтому вирус Р1 убивает ее, хотя в бактерии его и нет. Но линия E. coli, однажды инфицированная вирусом Р1, уже не может без него жить и вот почему. Бактерия, которой не досталось плазмид, не получает вместе с ними и ДНК вируса, но какое‑то количество готовых молекул рестрикционного и модифицирующего ферментов при делении родителя в него все же попадает. Молекулы рестриктазы прочны и долговечны, в то время как метилаза живет недолго. Когда E. coli утрачивает вирус, ее ДНК постепенно деметилируется. В результате ДНК бактерии становится уязвимой для рестриктазы, и та убивает микроорганизм. Иными словами, если вирус Р1 инфицирует E. coli, жить без него она уже не способна.
Гены, отвечающие за производство рестриктазы и метилазы, имеются не только у Р1. В хромосоме E. coli их множество. Генетик Итидзо Кобаяси из Токийского университета утверждает, что все они берут начало от генов, которые, по сути, держат своего носителя в заложниках. Кобаяси указывает также, что рестриктазы и метилазы, возможно, позволяют вирусам побеждать другие вирусы, которые пытаются захватить их хозяина. Новый вирус, только что проникший в клетку E. coli, не имеет пока защиты, которой давно обзавелись резидентные вирусы, и открыт для атак рестриктаз. Действительно, рестриктазы и метилазы могли возникнуть как средство обеспечить безбедную жизнь паразиту, но некоторые из них, очевидно, давно уже перешли под управление хозяина, то есть E. coli. Убивая проникающие извне вирусы, они превратились в своего рода примитивную иммунную систему бактерии.
Подобные конфликты между генами наблюдаются практически у всех видов. Так, многие насекомые инфицированы микроорганизмом Wolbachia, который способен жить только внутри их клеток. Его выживание полностью зависит от того, будет ли он унаследован следующим поколением. У такой стратегии один серьезный недостаток: вольбахия не умеет инфицировать сперму, а потому любой самец для нее — настоящий тупик. Иными словами, интересы генов вольбахии и хозяина — самца всегда противоречат друг другу.
Следует заметить, что вольбахия изобрела множество стратегий, нацеленных на победу в этой борьбе. У некоторых видов ос, к примеру, вольбахия каким‑то образом заставляет инфицированных самок производить на свет только самок; мало того, она изменяет их потомков таким образом, что им для размножения уже не нужно спариваться с самцами. У других видов вольбахия попросту убивает у инфицированной самки все яйца, из которых должны вывестись самцы. При этом бактерии в них тоже погибают, зато в целом такая стратегия обеспечивает вольбахии репродуктивный успех. Инфицированные вольбахией яйца с зародышами женского пола продолжают развиваться, и выводящимся из них личинкам — самкам не приходится конкурировать за пищу с братьями. Более того, братья становятся для них пищей. Иными словами, вольбахия использует некоторые из стратегий, при помощи которых вирусы благоденствуют, поселившись в клетке E. coli.
И скрытая от глаз война между паразитом и хозяином, и размывание понятия биологического вида могут кому‑то показаться явлениями чуждыми и нас совершенно не затрагивающими. Но дело в том, что человек вовсе не стоит над схваткой: мы и сами подвержены мощному формирующему влиянию вирусов. Конечно, большинство вирусов просто внедряется в наши клетки и заставляет их производить собственные копии, которые затем покидают прежнего хозяина и отправляются искать себе нового. Но некоторые вирусы умеют встраивать свой генетический материал в геном клетки — хозяина. Если им удается инфицировать сперматозоид или яйцеклетку, то эти вирусы передаются из поколения в поколение. Со временем вирусы мутируют и постепенно теряют способность покидать клетку — хозяина. А многие из них теряют и большинство своих генов. Остаются только инструкции по синтезу копий ДНК вируса и по встраиванию этой ДНК обратно в геном хозяина. В настоящий момент такие геномные паразиты составляют около 8 % человеческого генома. Недавние исследования позволяют предположить, что хозяину иногда удается обуздывать геномных паразитов и заставлять их работать на себя. В геноме человека немало важных генов, которые, отвечая за столь разные процессы, как, например, производство антител и образование плаценты, вероятно, развились из генов, когда‑то принадлежавших вирусам. Мы не выжили бы без вирусов — резидентов. Мы вновь и вновь убеждаемся: то, что верно для E. coli, верно и для слона. Где заканчиваются наши вирусы и начинаемся мы сами