Если мы действительно стремимся «понять» эволюцию, принципиально важно исследовать геномные образцы как вглубь (для этого необходимы геномные последовательности множества близкородственных представителей одного и того же таксона), так и вширь (для этой цели нужны последовательности как можно большего числа различных таксонов — в идеале всех таксонов). Ко времени написания этих строк, в последние дни 2010 года, собрание секвенированных геномов состояло из нескольких тысяч геномов вирусов, более чем тысячи геномов бактерий и архей, а также приблизительно сотни геномов эукариот. Ко времени издания этой книги геномная база данных почти удвоится, а благодаря новому поколению методов секвенирования в предстоящие годы ее темпы роста должны еще более ускориться
[30]. Несмотря на то что не все основные таксоны должным образом охвачены, быстро пополняющееся собрание геномов все более отвечает потребностям исследований как в области микроэволюции, так и в области макроэволюции.
Успехи традиционной геномики дополняют и стремительно накапливающиеся в последнее время, обширные по объему данные по метагеномике — а именно всеобъемлющее (или, по меньшей мере, обширное) секвенирование нуклеиновых кислот форм жизни из разнообразных сред обитания. Хотя применяемые в настоящее время в метагеномике подходы обычно не обеспечивают полную расшифровку геномов, они предоставляют бесценную, объективную информацию о разнообразии жизни в различных средах.
В данной главе представлен обзор разнообразия и основных характеристик геномов. В последующих главах подробно исследуется влияние результатов сравнительных геномных исследований на развитие «постсовременной» синтетической теории эволюционной биологии.
Эволюция геномных ландшафтов
Поразительное разнообразие геномов
Геном стал первым термином с окончанием «-ом» — и до сих пор является наиболее употребительным термином этой группы
[31]. Как это всегда бывает в биологии, определить, что же такое геном, нелегко. Говоря просто, геном — это генетическая информация конкретного организма во всей ее полноте. Существование стабильного ядра унаследованной генетической информации (а более конкретно, генов) вытекает из самого факта существования надежной наследственности, а в терминах более фундаментальных — из принципа подверженной ошибкам репликации (ПОР, см. гл. 2). Однако связь между «генетической информацией во всей ее полноте» и «стабильным ядром» не так уж проста. Стоит, к примеру, задать на первый взгляд невинный вопрос: «Что есть геном кишечной палочки Escherichia coli?» — как тут же возникает целый ряд серьезных затруднений. А вопрос «Что такое геном человека?» вызывает свои, не менее сложные проблемы. Вернемся мы к этому обсуждению позднее (см. гл. 5), а сейчас рассмотрим многообразие геномов, расшифрованных за последние 15 лет.
Новая эра геномики наступила на исходе лета 1995 года. Тогда лаборатория Дж. Крейга Вентера опубликовала результаты секвенирования генома условно-патогенной бактерии гемофильного гриппа Haemophilus influenzae (Fleischmann et al., 1995). В процессе расшифровки геномной последовательности H. influenzae Вентер, Гамильтон Смит и их коллеги усовершенствовали так называемый «метод дробовика». Этот подход грубого деления генома на короткие произвольные участки с расшифровкой их по частям и последующим восстановлением полной геномной последовательности быстро превратил секвенирование длинных нуклеотидных цепочек в рутинное дело. В течение года были расшифрованы геномы некоторых других бактерий, первый геном археи (Methanocaldococcus jannaschii) и первый геном эукариота (пекарские дрожжи Saccharomyces cerevisiae) (Koonin et al., 1996). К 1999 году установился стабильный экспоненциальный рост коллекции секвенированных геномов (см. рис. 3-1).
В диапазоне от вирусов до животных геномы различаются по размеру на шесть порядков — от нескольких тысяч до нескольких миллиардов нуклеотидов; для клеточных организмов, исключая вирусы, ширина диапазона составляет четыре порядка (см. рис. 3-2). По количеству генов диапазон значительно уже и составляет всего около четырех порядков, от двух-трех генов у простейших вирусов до приблизительно 40 тысяч генов у некоторых животных. Если же исключить вирусы и паразитические (симбиотические) бактерии, диапазон по числу генов становится довольно узким, немногим более одного порядка (см. рис. 3-2; Koonin, 2009a; Lynch, 2007c). Кажется весьма удивительным, что млекопитающие или цветковые растения имеют всего примерно в десять раз больше (легко идентифицируемых) генов, чем какая-нибудь средняя свободно живущая бактерия, и лишь примерно в два раза больше, чем бактерия из разряда наиболее сложных (см. рис. 3-2). Далее в книге рассматриваются всевозможные объяснения этих явных ограничений по числу генов в геномах всех форм жизни (см. гл. 5, 7 и 10).
Рис. 3-1. Экспоненциальный рост коллекции секвенированных геномов. Данные с веб-сайта Национального центра биотехнологической информации (www.ncbi.nlm.nih.gov/genome/)
Рис. 3-2. Общий размер геномов и число генов у вирусов, бактерий, архей и эукариот. Данные с веб-сайта Национального центра биотехнологической информации. Представлено в двойном логарифмическом масштабе. Стрелка указывает на точку изменения наклона кривой, соответствующую переходу от «малых» к «большим» геномам.
Грубо говоря, геномы могут быть разделены на два четко выделенных класса (Koonin, 2009a). Граница, разделяющая эти классы, находится в точке изменения наклона кривой на графике, представленном на рис. 3-2.
1. Геномы со строгим соответствием между размером генома и числом генов. К ним относятся геномы всех вирусов и прокариот, имеющие огромную плотность генов от 0,5 до 2 генов на тысячу пар оснований и очень короткие участки между генами (10–15 процентов длины генома и даже меньше), состоящие главным образом из регуляторных элементов. Иногда, говоря о таких геномах, вспоминают ковер «от стены к стене» (wall to wall genomes)
[32], так как они почти полностью состоят из легко определяемых генов. Геномы большинства одноклеточных эукариот демонстрируют несколько меньшую зависимость между размером генома и числом генов, чем геномы вирусов и прокариот, тем не менее они могут быть отнесены к этому же классу.
