Через две недели после того, как из печати вышла статья Джонатана Эйзена (Johnathan Eisen) [1], эволюционного биолога из Университета Калифорнии (США), самому Джонатану пришло письмо: «Добро пожаловать в клуб Четырех доменов». Эйзен, главный автор статьи про новые странные формы жизни в океане, лишь фыркнул. А е-мейл этот был от Дидье Рауля (Didier Raoult) из Средиземноморского университета в Марселе (Франция), который уже несколько лет агитирует научное сообщество за то, чтобы считать огромных вирусов, которые он изучает [2], новой ветвью жизни — четвертым доменом.

Рауль считает, что эта ветвь отделилась от «ствола» древа жизни чрезвычайно рано в эволюционном смысле, — и это утверждение встретилось с суровым заградительным огнем критики сообщества, которое уверено, что анализ генетических последовательностей, на котором основывается Рауль, выполнен некорректно. Показательно, что этот спор подчеркивает всю сложность реконструкции путей, пройденных эволюцией, — ведь за несколько миллиардов лет истории жизни на планете организмы неустанно обменивались генетической информацией и перетасовывали ее, пока, наконец, не запутали все «концы» окончательно.

Существует четвертый домен на самом деле или нет, — но его поиски извлекли на свет интереснейшие вещи. Микроорганизмы, открытые Раулем, сильно смазали четкую до того границу между вирусами (считавшимися неживыми, потому что они не способны жить сами по себе) и клеточными формами жизни, на которых вирусы паразитируют. Этот дерзкий акт подлил масла в огонь старого спора — что же считать жизнью? Рауль уверен, что многие вирусы устроены достаточно сложно, чтобы «заслуживать» права считаться живыми. Работа Эйзена, в свою очередь, основана на «ловле» в водах открытого моря образцов ДНК, принадлежащих неизвестно даже кому. (Этот подход, когда генетический материал собирают прямо из окружающей среды, а не выделяют из каких-то конкретных организмов, получил название метагеномики.) «Мы называем это „темной материей“ биологической вселенной, — говорит Эйзен о бесчисленных фрагментах ДНК, «плавающих» в окружающей среде [3]. — Эта ДНК кроет в себе фантастическое разнообразие жизненных форм, только малую часть из которых, может статься, мы наблюдаем теперь».

Деление на клетки

До появления мощных технологий секвенирования ДНК [4], [5] биологи делили все живое на два домена (или надцарства), основываясь на хорошо наблюдаемом в микроскоп признаке: наличии клеточного ядра. У эукариот это ядро есть (откуда и пошло их название) — и объединяют они множество организмов, от амёбы до деревьев и человека. У прокариот же ядра внутри клетки нету. Однако в 1977 году Карл Вёзе (Carl Woese), микробиолог из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн (США), перевернул эту казавшуюся логичной классификацию чуть ли не с ног на голову. Сравнивая консервативные последовательности РНК, он обнаружил, что прокариоты состоят из двух чрезвычайно различающихся групп микроорганизмов, — бактерий, которые весьма далеко отстоят от эукариот, и архебактерий, которые на эволюционном древе расположены намного ближе к последним [6]. В то время сей неожиданный результат встретил, конечно, яростный отпор научного сообщества, хотя в середине 1980-х, когда гипотеза нашла стабильное подтверждение в разнообразных молекулярных данных, это воззрение стало общепринятым. Учебники с тех пор переписали, и теперь все придерживаются концепции трех доменов: эукариоты, бактерии и архебактерии (сам термин «домен» был тоже предложен Вёзе, но уже позже: в 1990-м году). (Карл Вёзе известен множеством интересных работ о молекулярной эволюции и методологии молекулярной биологии [7].)

Возвращаясь к гипотетическому четвертому домену, следует указать истоки этой идеи — это открытие гигантского вируса Мимивируса, сделанное Раулем и его коллегами в 2003-м году [8]. (Вообще-то, мимивирус был открыт где-то за 10 лет до этого как паразит амеб в башенном охладителе ТЭЦ в Брэдфорде (Великобритания), но тогда он был ошибочно принят за бактерию из-за своего поистине гигантского для вируса размера (≈750 нм): его даже можно увидеть в оптический микроскоп!) Это открытие взбудоражило микробиологов. «Люди поняли, что они ничего не знают про разнообразие микроорганизмов», — говорит один из коллег Рауля, кто принимал участие в той работе. («Биомолекула» уже писала про гигантские вирусы: «...А на блохе — блошиночка поменьше» [2].)

Геном мимивируса, который расшифровала та же группа ученых [9], поразил своим размером: 1,2 млн. пар нуклеотидных оснований — это втрое больше, чем у любого другого известного вируса, а среди более 1000 генов вируса есть и участвующие в транскрипции генетической информации, чего никогда ранее не наблюдалось у вирусов, которые в этом полностью полагаются на клетку-«хозяина». Ученые тогда сравнили последовательности семи вирусных белков с аналогами из всех трех доменов и отметили, что гигантские вирусы «могут быть новой ветвью жизни», появившейся во времена становления эукариот и начавшей паразитировать на них. По мнению Рауля, учитывая сложность организации этих вирусов, они вполне заслуживают особого места на «древе жизни».

Конечно, не замедлили появиться возражения, даже оформленные в виде «десяти причин, почему вирусы следует исключить из древа жизни» [10]. Одно из главных возражений — это что для вирусов характерно «заимствование» генетической информации из геномов своих хозяев, так что наличие там транслирующих белок генов еще ни о чем не говорит.

Рауль же тем временем открыл других гигантских вирусов, в том числе в парижских градирнях. Анализ геномов этих существ показал их близкое взаиморасположение на древе жизни, из чего было сделано заключение, что некоторая группа генов должна была наследоваться совместно у организмов, которые он предлагает называть гигантскими нуклеоцитоплазматическими ДНК-вирусами (ГНЦДВ или NCLDV) [11].

Однако установление эволюционного родства на основе генетических последовательностей — задача непростая, особенно если работать приходится с материалом, который, предположительно, независимо эволюционировал в течение миллиардов лет. Дело в том, что со временем гены мутируют и эволюционируют, а иногда и возвращаются к первоначальному варианту, «стирая» историю своих прошлых «мытарств». Неродственные виды могут иметь схожие последовательности какого-нибудь гена, возникшие независимо и параллельно (или, как говорят, конвергентно). И если придется столкнуться с таким явлением, то изначально «плотная» эволюционная группа (какой представляются ГНЦДВ Раулю) просто распадется на части.

В июне 2011 года Эва Хенц (Eva Heinz) из университета Ньюкасла (Великобритания) и ее коллеги опубликовали «переделанные» деревья Рауля, основанные на других предпосылках [12]. Эти предпосылки включали, в первую очередь, возможность конвергенции генов, а значит, не обязательное признание родства при схожести последовательностей. На этих деревьях ветвь гигантских ДНК-вирусов расщепилась на отдельные «прутики», торчащие из остальных ветвей, тем самым (вроде бы) опровергая результаты по их генетическому родству. Хенц объясняет это тем, что набор вирусных генов мог быть по кусочкам «уворован» у различных эукариот, в разное время оказавшихся «хозяевами» гигантских вирусов. И никакого четвертого домена.

Рауль же не убежден такой аргументацией, потому что ему кажется, что и эукариоты на «новых деревьях» недостаточно хорошо кластеризуются, — а значит, речь идет о еще одной ошибке в вычислениях. Специалисты пока сходятся на том, что, даже если предположить существование экзотических механизмов эволюции, данных для их проверки недостаточно, — особенно, если речь идет о гигантских вирусах.

Охота на гигантов

Одна из возможных версий происхождения гигантских вирусов — это предельная деградация одной из групп эукариот, заключивших себя в паразитический панцирь. Рауль продолжает выяснять, как могли появиться его гигантские вирусы, и предпочитает пока не вступать в полемику с «консерваторами», которые стоят за сохранение существующего порядка вещей. Его стратегия — накопить побольше информации об этих существах, чтобы, используя метод «молекулярных часов» [13], установить эпоху появления ГНЦДВ. Тогда-то пробьет час тех, кто против чрезмерно стройных теорий в биологии и предпочитает внести капельку хаоса туда, где уже все, казалось бы, понятно.

Кстати, Карл Вёзе тоже себя относит к этой группе людей. Однако, несмотря на свои иконоборческие идеи 1970-х и последовавшие за этим лавры классика молекулярной эволюции, к гипотезе четвертого домена он относится немного скептически.

Так что же с Эйзеном, с которого начался этот рассказ? Его статья, опубликованная в марте 2011 года [1], основана на результатах метагеномного поиска в океанических водах, несколько лет назад проведенного Институтом Крейга Вентера во время захватывающего кругосветного путешествия на яхте самого руководителя этого института. (Помимо прочего, Вентер известен и как «крестный отец» искусственной жизни [14].) Конечно, среди гигабаз «выловленной» из моря генетической информации идентифицировали множество уже известных фрагментов ДНК, но изрядная часть поставила исследователей в тупик, потому что ничего похожего до сих пор никто не видел. Именно на широту «улова» настроился Эйзен, проанализировавший все, что вытащил «невод», — с помощью тех же филогенетических деревьев. На деревьях обнаружились и совсем неизвестные ранее ветви, которые можно идентифицировать и как «четвертый домен» Рауля.

Предварительно эти данные исследовал и известный биоинформатик Евгений Кунин (Eugene Koonin) из Национального центра биотехнологической информации в Бетесде (Мэриленд, США). По его словам, в последовательностях метагенома не содержится ничего сверхъестественного: «Некоторые последовательности могут соответствовать новым ветвям архей и бактерий, однако невод тех, кто охотился за четвертым доменом, видимо, пришел лишь с травою морскою» [3].

Эйзен, который еще не видел результатов Кунина, пока не торопится вступать в «клуб Четырех доменов» Рауля. По собственным словам, он опубликовал результаты метагеномного анализа, чтобы сообщество было в курсе огромного генетического разнообразия, с которым можно столкнуться в метагеномике, — вместо того, чтобы списать все на артефакты, как это часто делается. Микробиологи понимают, что лишь робко зачерпывают ложкой из глубокого моря микробного разнообразия, которое существует в природе. Однако стоит ли, чтобы в очередной раз привлечь внимание общественности к этому факту и к важности изучения микроорганизмов, каждые десять лет открывать новые домены жизни?

По материалам новостей Nature [3].

Литература

1. Dongying Wu, Martin Wu, Aaron Halpern, Douglas B. Rusch, Shibu Yooseph, et. al.. (2011). Stalking the Fourth Domain in Metagenomic Data: Searching for, Discovering, and Interpreting Novel, Deep Branches in Marker Gene Phylogenetic Trees. PLoS ONE. 6, e18011;
2. …А на блохе — блошиночка поменьше;
3. Gwyneth Dickey Zakaib. (2011). The challenge of microbial diversity: Out on a limb. Nature. 476, 20-21;
4. 454-секвенирование (высокопроизводительное пиросеквенирование ДНК);
5. Огурцы-убийцы, или Как встретились Джим Уотсон и Гордон Мур;
6. C. R. Woese, G. E. Fox. (1977). Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: The primary kingdoms. Proceedings of the National Academy of Sciences. 74, 5088-5090;
7. Эволюция между молотом и наковальней, или Как микробиология спасла эволюцию от поглощения молекулярной биологией;
8. B. L. Scola. (2003). A Giant Virus in Amoebae. Science. 299, 2033-2033;
9. D. Raoult. (2004). The 1.2-Megabase Genome Sequence of Mimivirus. Science. 306, 1344-1350;
10. David Moreira, Purificación López-García. (2009). Ten reasons to exclude viruses from the tree of life. Nat Rev Micro. 7, 306-311;
11. Mickaël Boyer, Mohammed-Amine Madoui, Gregory Gimenez, Bernard La Scola, Didier Raoult. (2010). Phylogenetic and Phyletic Studies of Informational Genes in Genomes Highlight Existence of a 4th Domain of Life Including Giant Viruses. PLoS ONE. 5, e15530;
12. Tom A. Williams, T. Martin Embley, Eva Heinz. (2011). Informational Gene Phylogenies Do Not Support a Fourth Domain of Life for Nucleocytoplasmic Large DNA Viruses. PLoS ONE. 6, e21080;
13. Сверим часы;
14. Жизнь в эпоху синтетической жизни.