Приспособиться и выжить!

Дрожжи и другие грибы играют важную роль в жизни людей. Дрожжи мы используем для производства пива, вина и хлеба, а грибы стали для нас первым источником антибиотиков. Пекарские и пивные дрожжи Saccharomyces cerevisiae давно уже стали излюбленным лабораторным организмом, поскольку их очень легко выращивать. Эксперименты с дрожжами позволили узнать очень многое о росте и делении клеток, об использовании генов и о биохимических основах жизни.

Однако на свете существуют не только старые добрые пивные дрожжи, но и множество других видов дрожжей. Под микроскопом большинство из них очень похожи, однако их способности переваривать питательные вещества и расти в различных условиях зачастую заметно различаются. Распад питательных веществ на полезные компоненты осуществляется в результате последовательности реакций, называемых метаболическим путем. Одним из наиболее хорошо изученных метаболических путей является путь расщепления галактозы у пекарских дрожжей. Большинство организмов в качестве источника энергии используют глюкозу. Однако, когда глюкозы нет, они вынуждены расходовать запасные сахара (например, крахмал) или искать альтернативные источники энергии. В частности, пекарские дрожжи могут использовать другой сахар — галактозу, которую они умеют переводить в глюкозу путем серии ферментативных реакций. В этих реакциях (в этой цепи) задействованы четыре фермента, закодированные четырьмя разными генами. Для того чтобы дрожжи синтезировали эти ферменты только при необходимости и в присутствии галактозы, синтез этих четырех ферментов контролируют еще три белка. Таким образом, в метаболизме галактозы в пекарских дрожжах участвует семь генов.

Большинство ближайших родственников пекарских дрожжей также могут использовать галактозу, за исключением одного вида дрожжей. Этот вид, Saccharomyces kudriavzevii (попытайтесь быстро произнести это название несколько раз подряд[14]), был обнаружен в Японии, на гниющей листве, тогда как большинство других дрожжей обитают в богатых сахарами средах. Когда мой аспирант Крис Хиттингер занялся изучением генов метаболизма галактозы у S. kudriavzevii,

он быстро понял, почему этот организм не может расщеплять галактозу: все гены были испорчены. Все семь генов имели различные повреждения, нарушавшие целостность заключенной в них информации.

У S. kudriavzevii наблюдается разительный контраст между состоянием семи генов, участвующих в расщеплении галактозы, и состоянием их ближайших соседей по ДНК. Соседние гены прекрасно сохранились и так же функциональны, как у пекарских дрожжей и других родственных видов. Если представить себе последовательность гена в виде абзаца текста, то текст каждого гена метаболизма галактозы у S. kudriavzevii во многих местах оказался стертым, тогда как предыдущие и последующие абзацы прекрасно пропечатаны. Это говорит о том, насколько специфичным является процесс отмирания генов. В генах, которые больше не нужны и не используются, накапливается множество мутаций, а нужные соседние гены остаются в целости и сохранности. Судьба семи генов

S. kudriavzevii демонстрирует способность естественного отбора сохранять то, что нужно организму, и его бездействие в отношении того, что уже не нужно. Этот вид дрожжей адаптировался к использованию других источников сахара и утратил способность расщеплять галактозу. Без постоянного надзора со стороны естественного отбора гены метаболизма галактозы собрали множество мутаций, стали ископаемыми и постепенно исчезают.

Утрата семи функционально связанных генов кажется мне чрезвычайно выразительным примером того, как значительное число генов могут погибнуть без внимания со стороны естественного отбора, но бывают примеры и более яркие — например, то, что произошло с некоторыми другими микроорганизмами, в частности с патогенным микроорганизмом Mycobacterium leprae, вызывающим проказу.

Анализ генома M. leprae

показал, что в нем содержится около 1600 функциональных генов и почти 1100 ископаемых генов — доля мертвых генов тут намного выше, чем в любом другом организме. Бактерия M. leprae является родственником бактерии M. tuberculosis, вызывающей туберкулез легких. Однако M. tuberculosis имеет около 4 тыс. функциональных генов и лишь шесть ископаемых. Сравнение двух видов показывает, что в ходе эволюции около 2 тыс. генов M. leprae оказались испорченными или утерянными. Чем объясняется такое поразительное различие в числе функциональных и ископаемых генов у двух родственных организмов?