Стратегия детерминированного мутагенеза

СТРАТЕГИЯ ДЕТЕРМИНИРОВАННОГО МУТАГЕНЕЗА

“Мутагенез - внесение изменений в нуклеотидную последовательность ДНК. Различают естественный (спонтанный) и искусственный (индуцированный) мутагенез”. Википедия.

интродукция

Мы живём в спокойный межградиентный или межледниковый период, поэтому уже 200 лет вслед за Дарвиным Эволюцию считаем непрерывной, а мутагенез спонтанным. Но как только ледники снова двинутся к югу и под действием популяционного стресса начнут рождаться дети с еще одной парой глаз на макушке или затылке, теория Дарвина будет пересмотрена. Не раньше.

казнить нельзя помиловать

Репликационные циклы пребиотических форм Жизни (одноосных кристаллов РНК) инициировались суточным циклом вращения Луны вокруг Земли. С течением времени угловые скорости вращения Луны и Земли постепенно замедлялись и, соответственно, период репликационного цикла увеличивался, что понижало репликацию. Трудно представить себе ее рост с ослаблением лунного макроградиента. Она и так была максимально возможной. Очевидно, что тренд на постоянное увеличение репликации для удержания на уровне, гарантирующим устойчивость прохождения Сигнала, не мог состояться. В условиях затухающей работы планетарного амплификатора репликационные потери могли быть снижены только за счет уменьшения частоты мутаций и уточнения функциональности белков.

Напомним, что передача Сигнала (Жизнь) основана на слабых водородных связях при помощи которых комплементарно связываются между собой отдельные нуклеотиды. Попарная комплементарность нуклеотидов позволяла передавать Сигнал путем репликации, а слабость водородных связей между ними способствовала появлению многочисленных опечаток-мутаций в информации Сигнала. Множество факторов из внешней среды увеличивало количество мутаций. К таковым, например, можно отнести: температурные броски, изменение рH-концентрации, радиация, ультрафиолет, популяционный стресс и пр.

Даже в наше совковое время редко кто мог написать диктант в школе без ошибок, например - в слове “проффесор”. А сейчас - тем более. Самая простая ошибка когда вместо одной буквы-символа пишется другая. Если слово короткое, то эта ошибка могла кардинально изменить его смысл. То же самое с фразами. Знаменитый пример “Казнить нельзя помиловать”. Положение запятой решало жить или умереть т.е. ошибка вела к летальному исходу. То что в макро-Слове называют ошибками (опечатками), в микро-Слове - мутациями. Простейшая мутация, это когда вместо комплементарного нуклеотида-символа при реплицировании текста РНК-ДНК становится нуклеотид-символ из другой комплементарной пары. Согласно канонам, а если точнее - одинаковым пространственным углам стереохимических связей, напротив аденина (А), должен стоять урацил “U” либо тимин “Т” (ДНК), что составляет комплементарную пару с двухводородными химическими связями А-U. Напротив гуанина (G) - цитозин (С), что образует трехводородную комплементарную пару G-C. Указанные комплиментарные пары называются каноническими.

Структура двойной спирали ДНК: Ф — фосфат, С — сахар, А — аденин, Т — тимин, Г — гуанин, Ц — цитозин.

Если при репликации, случайно, напротив аденина, например, становится цитозин (А-С), то это ошибка-мутация приводит к тому, что при трансляции, в цепочке белка вместо одной аминокислоты появится другая и его функциональность может измениться. Вполне может случится, что белок не сможет выполнять свою функцию. В этом случае мутация ведет к потерям репликации. И наоборот - может произойти усиление этой функции, либо появление новой функциональности, позволяющие снизить потери репликации. Чаще всего мутации нейтральны - цвет и разрез глаз, цвет кожи, форма носа и пр. На мутациях основывается изменение функциональности белков - рабочей лошадки Эволюции. Этого не мог не заметить Ч. Дарвин, включив мутации (изменчивость) в свою знаменитую эволюционную триаду: изменчивость - Отбор - наследственность. Небольшой размер гаплоидных геномов прокариот (а к ним относят археи и бактерии) по сравнению с эукариотами свидетельствует что из-за большой частоты мутаций им не удалось преодолеть катастрофу мутационных ошибок Эйгена, ограничивающую рост гаплоидных геномов.

катастрофа Эйгена

Любая популяция имеет свою верхнюю границу темпов мутирования, ограничивающую рост размера генома. Гаплоидные популяции достигли ее когда за один цикл репликации стала возникать одна летальная мутация на геном. Размеры геномов перестали расти, упершись в “потолок” Эйгена, или попав в катастрофу Эйгена, как вам больше нравится. Очевидно при такой вероятности мутирования смерть близка как никогда.

Чем выше средняя вероятность мутирования, тем ниже предел размера генома.

Отсюда следует важный вывод - усложнение клеток или организмов, требующее роста генома, невозможно без роста надежности хранения и копирования генетической информации. В ходе эволюции бактерии вплотную подошли к этой границе мутационной катастрофы ошибок, что запретило рост их гаплоидных геномов. Преодоление этого запрета стало главной эволюционной мотивацией (трендом) усложнения организмов. Из-за их малых размеров у прокариот, как кто-то метко заметил, нет прошлого и будущего, а есть только настоящее. Они не способны сохранять информацию в надежде использовать ее в будущем как эукариоты и поэтому вынуждены вновь и вновь “изобретать велосипед”.

Мутации являются основным источником репликационных потерь, а также из-за них прокариоты не способны наращивать объем своего генома (информации) т.е. по сей день находяться в эволюционном тупику.

В тоже время исключительно на мутациях, приводящих к полезным свойствам, основывается изменение функциональности белков, а также удерживается устойчивое прохождение Сигнала через прокариот. Большая частота мутаций порождала “мутационное разнообразие”. Несомненно был период в истории эволюции прокариот, когда разнообразия на другой основе просто не существовало. Руководствуясь принципом Ферма работал Отбор, фиксируя полезные мутации в геном. Поистине Сизифов труд, когда размер генома ограничен - что-то надо было постоянно выбрасывать. Это было время классического дарвинизма - непрерывная эволюция, основанная на мутациях и Отборе.

Дальнейшая эволюция первых клеток - прогенотов заключалась в развитии метаболических реакций. Сначала, когда первичной органики было много, в метаболических реакциях не было нужды. Но по мере истощения этих естественных ресурсов большое преимущество при отборе должны были получать организмы, вырабатывающие ферменты для образования органических молекул. Наличный комплект клеточных ферментов постепенно увеличивался, и в результате возникли метаболические пути современных организмов. Самые ранние стадии метаболизма развились для того, чтобы восполнить недостачу органических молекул, образовавшихся еще в пребиотических условиях. Когда запас таких соединений полностью исчерпался, преимущество при Отборе должны были приобрести организмы, способные использовать атомы углерода и азота атмосферы (в виде СО2 и N2).

В определенный момент биосинтез новых ферментов с помощью эволюции функций столкнулся с препятствием в виде катастрофы Эйгена. Надо было что-то делать - из-за мутаций геномам некуда было расти, мешал потолок Эйгена. К тому же Эволюция искала решение, как уменьшить мутационные потери репликации. Предположительно в то время мог возникнуть тренд на уменьшение частоты мутаций путем их исправления (репараций). Эволюция замахнулась на святыню дарвинизма - мутации! Представляется, c ходу реализовать репарационный тренд не удалось. Она неминуемо должна была натолкнуться на препятствие - Закон необходимого разнообразия Эшби.

Уменьшение частоты мутаций путем репараций неизбежно влекло уменьшение мутационного разнообразия и тем самим увеличивало энтропию Эшби. Выход один - необходимо в Жизнь вдохнуть принципиально другое разнообразие, не мутационное по своей сути, чтобы все таки выполнить закон Эшби. А это уже тренд на рекомбинантное разнообразие! Чтобы проследить в какой фантастический способ он был реализован, необходимо перейти к энтропии.

энтропия

Всем известно второе начало термодинамики: “Энтропия изолированной системы не может уменьшаться». Людвиг Больцман в 1872 показал статистический характер второго начала термодинамики, связав энтропию замкнутой системы с числом возможных микросостояний, реализующих данное макросостояние. Это стало указанием на несостоятельность представления о «тепловой смерти Вселенной». Затем он еще раз успокоил народ, дав термодинамическое определение Жизни: “ Жизнь - это явление, способное уменьшать свою энтропию”.

Чем руководствовался Больцман, связывая энтропию с Жизнью? Может пытался объяснить удивительный порядок и гармонию во всех проявлениях Жизни. Энтропия характеризует меру беспорядка (хаоса) системы. А в Жизни хаоса не наблюдается. Как там ни было, но Больцман своей рискованной формулировкой попал … в информационные энтропии Шеннона и Эшби, о которых тогда, в конце 20 века, никто и не догадывался. И что самое удивительное - несмотря на то что все попытки найти связь между ними заканчивались неудачей, нетрудно заметить что формулы описывающие термодинамическую энтропию Больцмана -

и информационную Шеннона -

имеют общий вид.

На сегодняшний день известно четыре основных варианта энтропий. В термодинамике - это функция состояния (Клаузиус) и мера беспорядка (Больцман). В теории информации – мера достоверности передаваемой по каналу связи информации (Шеннон) и характеристика разнообразия (Эшби). При этом энтропия Больцмана является мерой беспорядка, хаотичности, однородности молекулярных систем; энтропия Клаузиуса пропорциональна количеству связанной энергии, находящейся в системе, которую нельзя превратить в работу; энтропия Шеннона дает количественную оценку достоверности передаваемого сигнала, энтропия Эшби характеризует разнообразие.

Впервые понятия энтропии и информации связал К.Шеннон в 1948 г. С его подачи энтропия стала использоваться как мера полезной информации в процессах передачи сигналов по каналу (проводам). Следует подчеркнуть, что под информацией Шеннон понимал сигналы нужные, полезные для получателя. Не полезные сигналы, с точки зрения Шеннона, это шум, помехи. Если сигнал на выходе канала связи является точной копией сигнала на входе то, с точки зрения теории информации, это означает отсутствие энтропии. Отсутствие шума означает максимум информации. Взаимосвязь энтропии и информации нашло отражение в формуле:

H + Y = 1 где Н – энтропия, Y – информация.

На сегодняшний день, бесспорно, термодинамическая модель и энтропия Больцмана неприменимы для описания процесса поддержания устойчивости распространения Жизни путем репликации-репродукции. Зато просто напрашивается ассоциация с моделью Шеннона - передачей сигнала (информации) по каналу. Тогда Жизнь - это Cигнал (информация), а репликация-репродукция - процесс передачи Cигнала по каналу (Носитель РНК).

Понятно, что не полезные сигналы - это шумы. Применительно к передачи Сигнала через канал Носителя РНК - это мутации. Получается, что для передачи Сигнала требовался определенный уровень энтропии Шеннона т.е. определенная частота мутаций. Понизить этот уровень во имя благородной цели снижения потерь репликации Эволюция не могла еще по одной причине - снижалась управляемость прохождения Сигнала. Сигнал мог запросто затухнуть. А высокая управляемость в деле прохождения Сигнала - это парафия энтропии Эшби. Начать понижение энтропии Шеннона, можно было только понизив энтропию Эшби т.е. увеличив разнообразие в иной способ чем мутации.

В оригинальной формулировке закон Эшби звучит невзрачно:

«Разнообразие исходов [ситуации], если оно минимально, может быть еще более уменьшено лишь за счет соответствующего увеличения разнообразия, которым располагает регулятор».

Эшби рассматривал энтропию как характеристику разнообразия системы, поскольку она определяется вероятностями реализации состояний и достигает своего максимума на равномерном распределении (максимальное разнообразие — это когда любое состояние может реализоваться с равной вероятностью), а минимума — когда какое-то одно состояние реализуется с вероятностью, равной 1. Удалось отыскать еще одну трактовку Закона Эшби, из которой прямо следует, что понижение энтропии Шеннона за счет понижения энтропии Эшби становится реальным только при переходе от непрерывной к дискретной эволюции.

“Управление заключается в таком преобразовании множества состояний, в результате которого вероятности одних состояний (нежелательные) управляемой системы уменьшаются, а вероятности других (желательных) увеличиваются, что и обеспечивает понижение энтропии. Согласно Закону необходимого разнообразия достичь этого можно только за счёт увеличения разнообразия управляющей системы”.

Из закона следует алгоритм дальнейших возможных эволюционных решений. Понижать частоту мутаций в нежелательное время в спокойный межградиентный период и повышать при наступлении макроградиента т.е. развести действие двух трендов во времени. А включать/выключать при помощи стресса.

детерминированный мутагенез

Помимо закона Эшби есть еще одна эволюционная коллизия, требующая своего разрешения в такой способ. Без мутаций невозможна эволюция функциональности белков, уменьшающая потери репликации-репродукции на сопротивлении Ниши, и в тоже время - мутации ведут к росту потерь репликации-репродукции. В этом дуализме скрывается возможность появления нового тренда, при котором эта коллизия разрешается. Хотя у Отбора слепой поводырь (принцип Ферма), но он способен легко обыграть тот факт, что источником всплеска мутаций являются градиенты сопротивления внешней среды. По их наступлению включать мутации и эволюцию функций, а в межградиентный период - блокировать с помощью репарационной программы. Т.е. мог бы пройти тренд на снижение частоты мутаций до фонового уровня в “неподходящее время”. Это означает, что уже в прокариот существовала возможность перейти к стратегии детерминированного мутагенеза и, соответственно, к дискретной Эволюции. И грешно сомневаться что она была упущена. При такой стратегии частота мутаций в межградиентный период снижалась до фоновой (как сейчас) и возрастала до гипермутагенеза для изменения функциональности при необходимости. Предположительно, так мог пройти древний тренд на снижение потерь репликации-репродукции (снижение энтропии Шеннона). Требовалось только увеличить разнообразие управляющей системы, ибо -

Уменьшение частоты мутаций влекло за собой снижение мутационного разнообразия и, следовательно, необходимого разнообразия, потому что никакого другого разнообразия у Сигнала (Жизни) за душой еще не было.

горизонтальный перенос генов

Понятно, что переход к стратегии детерминированного мутагенеза мог поколебать устойчивость Сигнала - уменьшение мутационного разнообразия увеличивало риск его затухания. Во избежание этого Закон необходимого разнообразия (ЗНР) Эшби должен был блокировать репарационный тренд и смену курса на дискретную эволюцию. Получался замкнутый круг. Чтобы его разорвать, неминуемо должен был возникнуть новый тренд на принципиально другое разнообразие - рекомбинантное, причем прошел он в фантастический способ путем конъюнгации…

Конъюга́ция (от лат. conjugatio — соединение) — однонаправленный перенос части генетического материала при непосредственном контакте двух бактериальных клеток.

Исправить ошибку на странице в тексте можно двумя способами. Прочитать каждую строку страницы, найти где стоит не та буква и заменить ее на правильную. А можно не читать, а снять копию страницы с такого же текста, пусть и неточную, и вставить ее вместо страницы с ошибками. В случае неопределенности с ошибкой в тексте ( на какой странице) можно вставить копию раздела или заменить весь текст на его копию.

Можно с уверенностью утверждать, что первый способ как репарационный тренд на построчную читку и исправления отдельной ошибки-мутации в геноме прокариот поначалу не прошел. Понятно почему - с исправлением ошибок уменьшается частота мутаций т.е. понижается уровень мутационного разнообразия. И нет ничего в этом тренде, чтобы это не происходило. Зато прошла репарация (исправление ошибок) в экзотический способ путем конъюнгации. Казалось бы тоже репарационный тренд, но в нем есть одно отличие - ошибки-мутации исправлялись путем замены всего поврежденного участка ДНК на гомологичный участок, взятый с другой клетки, который далеко не всегда был его точной копией.

В этом способе репарации было нечто, позволяющее не уменьшать уровень разнообразия. Этим нечто является горизонтальный перенос генов - процесс, в котором организм передаёт генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком.

Горизонтальный перенос генов, сопровождающий конъюнгацию, предопределил ее прохождение по репарационному тренду.

Если исходить из того, что Жизнь это локализованный в пространстве и распространяющийся уже 4 миллиарда лет во времени уникальный Сигнал, то достаточно простой логики чтобы уразуметь - с появлением горизонтального переноса генов через рекомбинацию эволюционные стратегии должны были кардинально измениться. Предположительно, непрерывная Эволюция стала дискретной, а спонтанный мутагенез - детерминированным внешним воздействием.

Горизонтальными линиями показан горизонтальный перенос генов между стволовыми ветками Дерева Жизни - Прокариот (археи и бактерии) и эукариот.

бактериальный секс

Чтобы исправить летальную мутацию-ошибку необходимо получить “неточную” копию поврежденного участка. А так как прокариоты гаплоидники, то за ней нужно следовать к соседней клетке, называемой донором. Для этого обе бактерии донор и реципиент сближаются, между ними устанавливается контакт в виде мостика с пилями. Бактериальная ДНК в клетке-донор реплицируется, ее “неточная” копия при помощи плазмидной ДНК по мостику с пилями проникает в бактерию-реципиент и врезается в ее ДНК, заменяя поврежденный участок с летальной мутацией. Повреждённый участок с клетки выбрасывается. Каждый, непосвященный в бактериальную жизнь, скажет - не может быть! Это фантастика! Но это факт. И сейчас, в этот момент миллиарды миллиардов бактерий, наверное, с удовольствием занимаются этой репарацией, так похожей на секс. Также как и мы на репликацию они тратят минуты, а на репарацию в виде секса - часы. А все из-за горизонтального переноса генов, а если точнее - из-за генетической рекомбинации.

Часть ДНК (очень редко вся ДНК) клетки-донора переносится в клетку-реципиент, у которой собственная ДНК генетически отличается от ДНК донора. При этом перенесённая ДНК замещает часть ДНК реципиента. В процессе замещения ДНК участвуют ферменты, расщепляющие и вновь соединяющие цепи ДНК. В результате образуется ДНК, содержащая гены обеих родительских клеток. Такую ДНК называют рекомбинантной. У потомства или рекомбинантов, наблюдается заметное разнообразие признаков, вызванное смешением генов.

Ясно, почему стала возможной реализация репарационного тренда в такой фантастический способ, как конъюнгация -

Неизбежное понижение уровня мутационного разнообразия при переходе к детерминированному мутагенезу стало компенсироваться увеличением рекомбинантного разнообразия.

Больцман попал

С учетом изложенного следует уточнить определение Жизни, данное Больцманом-

“ Жизнь - это явление, способное уменьшать энтропию Шеннона и Эшби”

В прокариот, при прохождении репарационного тренда, совершенно неожиданно появилась возможность для реализации тренда на рекомбинантное разнообразие. И все благодаря горизонтальному переносу генов. Грандиозность этого события для устойчивой передачи Сигнала (Жизни) трудно переоценить. Оно определило всю последующую Эволюцию и прокариот и эукариот, и в том числе - появление всех нас. Без сомнения, за трендом на рекомбинантное разнообразие стоит Закон необходимого разнообразия Эшби. Сила тренда на рекомбинантное разнообразие была такова, что породила еще два способа получения рекомбинантов помимо конъюнгации - трансформацию и трансдукцию.

К этому можно добавить следующее - кликнув в Википедии “конъюнгацию”, вы не найдете ни слова об репарации - только секс. Потому что с появлением рекомбинантного разнообразия исчезла необходимость в фантастическом способе репарации через конъюнгацию. Можна уже было исправлять ошибки-мутации подобно тому как мы делаем читку текста после написания т.е. считывая понуклеотидно. Неправильные нуклеотиды, как правило, удаляются из ДНК системой эксцизионной репарации (от англ. excision - вырезание). В каждой клетке существует также не менее 20 различных специфических ДНК-гликозилаз, узнающих какой-либо один тип измененных оснований в ДНК. Если не тот нуклеотид вставлен в цепочку ДНК при репликации, то для полимераз, отслеживающих правильность сборки, он виден - у него торчат под другими углами “хвостики” ковалентных связей.

Если какая-либо из этих полимераз встраивает неправильный нуклеотид, то фермент сам может распознать неспособность этого нуклеотида образовать правильную пару с соответствующим нуклеотидом матрицы. В этом случае фермент возвращается назад и отщепляет неправильный нуклеотид с 3'-конца, после чего продолжает присоединять правильные нуклеотиды, т.е. возобновляет свое обычное продвижение вдоль матрицы в направлении 5''

https://docs.google.com/document/d/1Ge0cFMoJT37wQrAGUjVU15WD95Q2KldEbEwEwYaUBrA/edit

Постоянное увеличение рекомбинантного разнообразия позволило репарационным трендам значительно уменьшить частоту мутаций в прокариот (археи +бактерии) и тем самым снизить потери репликации-репродукции. Из-за своей гаплоидности им не удалось снять ограничение Эйгена, а вот поднять потолок, ограничивающий размеры генома, многие виды смогли.

http://www.scc.acad.bg/ncsa/articles/library/Genetics%20Gene%20Net%20Ru/gen005.pdf

Из сравнительной таблицы между прокариотами и эукариотами мы видим, что размеры геномов прокариот, варьируются в широких пределах. Микоплазма Mycoplasma gtnitalium имеет наименьший размер генома среди всех известных прокариот - 0.58 млн. пар нуклеотидов на 470 генов. Наибольшим размером генома обладает эубактерия Eschevichia-coli - 5.5 млн.п.н. на 4 288 генов., что в 10 раз больше чем у микоплазмы. Остальные прокариоты, по размерам геномов находятся между ними, причем сложность геномов пропорциональна их размерам - 0.58:470 5.5:4288….

диплоидники и катастрофа Эйгена

Диплоидники обошли запрет Эйгена и сделали это элегантно. Вместо того чтобы идти налево, искать чужую клетку, сравнивать по ее ДНК свою, с тем чтобы репарироваться, одна из популяций прокариот завела в своей клетке ещё одну ДНК, являющуюся точной копией первой. Новшество оказалось революционным - появились диплоидники, эволюция которых предопределила появление homosapiens. Они преодолели запрет Эйгена, так как могли без проблем исправлять мутации-ошибки, по необходимости обращаясь от одной ДНК к другой. Рост геномов уже ничто не ограничивало - появилась перспектива усложнения клетки, а затем и многоклеточных организмов.

Казалось бы все, можно искоренить мутации т.е. обнулить энтропию Шеннона. Но как уже мы знаем это была бы пиррова победа - диплоидный Сигнал ждала печальная участь, так как устойчивость распространения во времени определяет энтропия Эшби. А она бы возросла, так как репарации снизили бы мутационное разнообразие. Чтобы этот сценарий исключить, Эволюция пошла уже апробированным на прокариотах путем - внесла рекомбинантное разнообразие, компенсирующее потерю мутантного. Только на за счёт горизонтального переноса генов от одной клетки к другой, а путем полового процесса т.е. переноса генов в горизонтально-вертикальном направлении, от родителей к детям.

И снова, казалось бы можно искоренить мутации, так как потеря мутационного разнообразия стала компенсироваться приростом рекомбинантного и все в согласии с Больцманом. Но тогда для Эволюции закрывалось бы окно возможностей по изменению функциональности белков. Без мутаций "рабочая лошадка" Эволюции просто сдохла бы, не выдержав тягот Жизни. Не может такого быть, чтобы Эволюция не обыграла этот момент. У нее появилась такая возможность! Включать когда надо гипермутагенез и выключать, возвращаясь к фоновому и снижая тем самим мутационные потери.

Отсюда резюме - с появлением рекомбинантного разнообразия Эволюция стала дискретной, а мутагенезез - детерминированным. Дедушке Дарвину простительно заблуждаться - ничего этого не знал и поэтому веровал в непрерывную Эволюцию и спонтанный мутагенез. А почему это делаем мы? - непонятно...

Напоследок следует подчеркнуть, что увеличение рекомбинантного разнообразия достигается путем рекомбинантно-репродуктивной изоляции, насаждаемой Эволюцией между популяциями. Но это уже другая Глобальная стратегии и другая тема...