Мы уже приводили примеры, иллюстрирующие значение генетических рекомбинаций и в особенности механизма неравного кроссинговера для прогрессивной эволюции.
Неравный кроссинговер возможен благодаря тому, что вдоль по длине хромосом — между многими генами, а также (у эукариот) на стыках нитронов и экзонов — имеются участки гомологичной ДНК в одинаковой ориентации.
У эукариот участками гомологии при рекомбинациях вероятно служат короткие сегменты особой «перемещающейся» ДНК, например последовательности B1 и Alu, обнаруженные у млекопитающих и содержащие соответственно ~130 и ~300 нуклеотидных пар. Благодаря таким повторяющимся участкам гомологии, изредка может происходить «неправильная» конфронтация гомологичных хромосом, с образованием дупликации сегмента ДНК, находящегося между прямыми повторами, и соответственно делеции в качестве реципрокных продуктов кроссинговера.
Вероятность «неправильной» конфронтации для пары гомологичных повторов, ограничивающих какой-нибудь ген, может быть выше в том случае, когда предшествующая дивергенция хромосом была связана с изменением их гомологии в области между повторами, т. е. в пределах гена. Таким образом, изменение в степени гомологии аллелей могло бы служить сигналом, «указывающим» равно на необходимость либо дуплицирования, либо делегирования гена. Это предположение имеет в своей основе определенный биологический смысл: если претерпевшие дивергенцию аллели заслуживают объединения в тандемной дупликации, то функционально бесполезный, не поддерживаемый отбором и заслуживающий делегирования ген также быстро накопит различные мутации с образованием негомологичных «аллелей».
В настоящее время известно довольно много примеров дупликаций генов в эволюции. Например, хорошо изучен случай эволюции генов, контролирующих строение полипептидов в составе молекулы гемоглобина у позвоночных. Как известно, в состав молекулы гемоглобина входит одна, пара α- и одна пара β-цепей, причем у человека известны гемоглобины, содержащие взамен пары β-цепей родственные полипептиды: δ, γ (два варианта G и А) и ε.
Пять сцепленных генов, кодирующих эти функционально активные, родственные p-цепи полипептиды, расположены у человека на 11-й хромосоме в последовательности ε—Gγ —Аγ—δ—β. Предполагается, что первая дупликация, «выделившая» гены активные в эмбриональном (ε, γ) и взрослом (δ, β) состояниях, произошла примерно 200 млн лет назад, а затем произошли дупликации с образованием генов ε и γ — 100 млн лет назад и δ, β — 40 млн лет — назад. Дупликация гена у с образованием копий А и G произошла не менее 20 млн лет назад, но полипептиды Аγ и Gγ отличаются по одной аминокислоте и данный случай скорее свидетельствует о невозможности дивергенции для генов в одном геноме.
Указанные пять сцепленных генов β-семьи полипептидов гемоглобина отделены друг от друга на хромосоме интервалами, происхождение и назначение которых непонятно). Поэтому apriori возможны разные мнения относительно того, как именно возникают в эволюции генома дупликации генов. Причем то, что обычно подразумевается, как раз не соответствует правильному пониманию эволюции (или, по крайней мере, развиваемым здесь представлениям).
Обычно подразумевается, что сначала происходит дупликация гена с образованием двух идентичных тандемно расположенных копий, а затем две образовавшиеся копии гена постепенно дифференцируются. Подобное представление основывается на том, что образование тандема из двух идентичных копий гена действительно нередко происходит в процессе хромосомной репликации в результате неравного кроссинговера между сестринскими хроматидами, как у эукариот, так и у бактерий (см. монографию Р. В. Хесина).
В результате образования тандемных дупликаций из идентичных копий гена и в особенности повторных дупликаций, приводящих к амплификации (увеличению дозы) гена, достигается усиление его экспрессии. Что же касается постепенной дивергенции двух идентичных, тандемно расположенных копий гена, то такая возможность представляется маловероятной. Так, хорошо известно, что у бактерий тандемные повторы генов обычно нестабильны и с высокой частотой ревертируют к исходному недуплицированному состоянию, так что для их поддержания требуется либо постоянный отбор на повышенный уровень экспрессии гена, либо введение в геном мутации (recA), блокирующей выщепление «избыточных» копий гена путем гомологичной рекомбинации.
У эукариот в связи с общим усложнением их организации, по-видимому, вырабатываются специальные механизмы, обеспечивающие стабильное поддержание тандемных повторов ДНК на хромосомах. Наличием таких механизмов, по-видимому, объясняется появление в хромосомах эукариот огромного числа повторяющихся сегментов ДНК, не имеющих какого-либо определенного смысла. Но оказывается, у эукариот действуют механизмы гомогенизации тандемных повторов, что приводит к так называемой совместной, или согласованной (concerted), эволюции повторяющихся сегментов ДНК.
Примером такой совместной эволюции как раз и могут служить упомянутые выше гены, кодирующие родственные β-цепи гемоглобина полипептиды Аγ и Gγ Показано, что между генами, кодирующими эти полипептиды, происходит генетическое взаимодействие, подобное конверсии гена, которое препятствует их дивергенции. Таким образом, возможность постепенной дивергенции исходно идентичных генов, образующих тандем, маловероятна.
Согласно альтернативному взгляду, эволюционное значение имеют дупликации генов, образующиеся в мейозе при взаимодействии гомологичных хромосом разного происхождения. Как мы уже указывали выше, биологический смысл генных дупликаций, происходящих в мейозе, состоит в объединении экологического потенциала популяций, претерпевших дивергенцию и до некоторого времени пространственно разделенных. Разумеется, с этой точки зрения дупликация, состоящая из одной пары генных аллелей, т. е. дупликация одного гена, представляет собой «минимальный» вариант в количественном приращении биологической информации путем неравного кроссинговера. Между тем дивергенция популяций внутри вида может заходить более далеко и повлечь за собой не только изменение большого числа генов, но даже некоторую модификацию генома в целом. Максимальный вариант рекомбинационного приращения генома — его удвоение, что, вероятно, может, происходить в результате объединения двух дивергировавших геномов.
То, что прогрессивная эволюция сопряжена с удвоениями генома, вытекает из сопоставления видов разного уровня организации по величине генома. Спэрроу и Науман — авторы указанной работы — изучали распределение большого числа видов растений и животных (включая полиплоидов) по величине гаплоидного эквивалента их генома. Они обнаружили, что в разных семействах (злаки, иглокожие, насекомые, грибы) имеются обособленные группы видов, близких по величине генома, причем средние значения количества ДНК на геном в отдельных группах соотносились примерно так, как если бы они соответствовали удвоениям генома. Так, среди случайного набора из 80 видов злаков 5 выявленных групп имели следующее среднее содержание ДНК на гаплоидный эквивалент их генома (пикограммы, 10-12 г): 0,61; 1,2; 2,2; 4,6; 8,7. Выявленное различие в содержании ДНК, приходящейся на гаплоидный геном, как зависящее от величины хромосом, а не от их числа, было названо криптополиплоидией.
Но далее Спэрроу и Науман, по-видимому, несколько увлеклись, сделав такое открытие. Так, они обратили внимание на то, что даже неродственные семейства могут быть очень близкими по абсолютному содержанию ДНК, приходящейся на гаплоидный геном. Исходя из этого, они пытались доказать, что самые разные виды, включая высокоорганизованных эукариот, стоят в одном и том же ряду последовательных удвоений генома, берущем начало от исходного вирусного генома всего в 300 нуклеотидов.
Что касается прокариот, то в отношении бактерий Escherichia coli широкую известность приобрела гипотеза о том, что ее хромосома претерпела два последовательных акта, удвоения в процессе эволюции. Такое представление основывается на том, что некоторые гены Е. coli, в частности имеющие отношение к контролю метаболизма глюкозы, образуют четыре более или менее равноудаленные одна от другой группы на хромосоме. Правда, по данным одной из работ распределение большинства других функционально родственных генов на хромосоме Е. coli не согласуется с таким распределением генов метаболизма глюкозы.
Как и при истолковании природы тандемных дупликаций, имеющих эволюционное значение, обычно подразумевается, что удвоение генома у бактерий происходило в результате объединения двух идентичных сестринских геномов. Однако в аспекте понимания эволюционного процесса, дупликации бактериальных геномов скорее могли быть следствием объединения дивергировавших, хотя и родственных геномов. В таком случае положительный отбор по определенным (селектируемым) генам в каждом из двух «составляющих» геномов или по крайней мере взаимное восполнение (комплементация) накопленных генетических повреждений должны какое-то время поддерживать образовавшийся ассоциат в стабильном состоянии. Разумеется, при объединении родственных геномов множество практически идентичных генов попадает в один геном, подобно тому как происходит наследование неселектируемых мутаций при действии механизма попутного транспорта: именно в такой интерпретации приемлемо представление о возможности дивергенции двух идентичных копий гена в одном и том же геноме.
Необходимо добавить, что сравнительно недавно у бактерий был открыт способ генетической рекомбинации путем слияния протопластов, который позволяет представить, как практически в природе могло бы происходить объединение бактериальных геномов.
Упомянутые выше данные работы Спэрроу и Науман доказывают, по крайней мере, что удвоение генома — событие довольно типичное для прогрессивной эволюции. Правда, остается неизвестным механизм удвоения генома, обусловливающий появление криптополиплоидных рядов. В связи с этим не следует забывать, что удвоение генома у эукариот может быть следствием обычной полиплоидии, т. е. кратного умножения числа хромосом. Широко известны, скажем, полиплоидные ряды у растений. Обратим внимание на то, что в природе образование полиплоидов обычно сопряжено с гибридизацией, т. е. фактически с объединением геномов, претерпевших дивергенцию. В связи с этим характерно замечание Стеббинса: «По ряду причин мы должны ожидать, что межразновидностные или межподвидовые полиплоиды являются наиболее распространенным в природе типом автополиплоидов».
Случаи межвидовой гибридизации, когда происходит преодоление нескрещиваемости в результате образования аллополиплоидов, также укладываются в схему биологического прогресса путем объединения геномов дивергирующих форм. Можно сказать даже, что различение автополиплоидов и аллополиплоидов здесь условное, так как при автополиплоидии, как мы видели, подчеркивается значение дивергенции исходных форм, а для образования жизнеспособных аллополиплоидов, напротив, важное значение имеет родство родительских форм.
Таким образом, хотя мы подчеркивали, что биологический прогресс является результатом событий, происходящих внутри вида, понятие межвидового барьера здесь может оказаться относительным, если возможно образование жизнеспособного гибрида в результате генетического взаимодействия родственных видов. Это рассуждение еще в большей мере справедливо по отношению к такой форме взаимодействия организмов, как симбиоз. Последний подразумевает объединение биологических организаций как таковых. Вероятно, сейчас можно считать общепризнанным, что появление эукариотической клетки — результат сймбиоза прокариотических организмов. Маргелис — автор указанной книги — оценивает симбиоз как парасексуальность, так как с эволюционной точки зрения симбиоз аналогичен половому взаимодействию: «…в обоих случаях происходит формирование нового индивидуума, несущего гены от двух или более партнеров».
Таким образом, с эволюционной точки зрения половое взаимодействие и симбиоз могут быть отнесены к одной и той же категории явлений как различные формы взаимодействия организмов, лежащие в основе биологического эволюционного прогресса. С этой точки зрения в генетических рекомбинациях важен не обмен сам по себе, а периодическое комбинирование генов и соответственно «симбиоз» элементов организации разного происхождения. Таким путем время от времени в природе осуществляется восстановление экологического потенциала вида, теряемого при специализации. Но в этом случае остается непонятным, почему сравнительно высокий уровень генетического обмена у многих видов должен поддерживаться в каждом поколении?