Изучать эволюцию фенотипов начали довольно давно. Самый известный пример подобных работ — классическое исследование Чарльза Дарвина о морфологической вариации клювов галапагосских вьюрков, ставшее основой для понимания естественного отбора. Несмотря на внушительный возраст вопроса, подобные исследования не только не потеряли актуальности, но перешли на качественно новый уровень [1].

Эволюционная значимость и физиологическая роль фенотипических признаков меняется со временем. Оперируя большими эволюционными периодами, сложно связать генотип, фенотип и приспособленность организма. Особенно трудно это сделать для многоклеточных организмов из-за огромного числа фенотипических признаков. У микроорганизмов же всё немного проще. Фенотипическим признаком, например, можно считать способность или неспособность расти на тех или иных источниках углерода. Конечно, это не единственный класс фенотипических признаков микроорганизмов, однако такой метаболический «портрет» всегда определяет стиль жизни микробов и вносит весомый вклад в их общую приспособленность.

Сейчас для исследования метаболических предпочтений бактерий совсем не обязательно выращивать их в лаборатории на всевозможных субстратах. Имея только геномные данные, можно довольно точно предсказать метаболический фенотип микроорганизма исключительно in silico. Так, для более чем 300 филогенетически очень разнообразных видов бактерий недавно построили полные модели метаболизма, опираясь только на последовательности геномов [2]. Для каждого вида определили спектр углеродных субстратов (из 62 возможных), которые он может использовать для синтеза биомассы или производства АТФ — двух основных метаболических целей бактерий. На данный момент это, пожалуй, самое масштабное исследование фенотипической эволюции микроорганизмов и фенотипической эволюции вообще. Что же мы теперь знаем?

Теории и практики фенотипической эволюции

Для начала условимся понимать под фенотипической эволюцией уменьшение внешнего сходства с увеличением генетического расстояния при расхождении (дивергенции) видов. Анализ реконструированных метаболических фенотипов более чем 300 видов бактерий говорит о том, что долговременная фенотипическая эволюция бактерий протекает в две стадии (рис. 1). Первые 50 миллионов лет пара видов бактерий очень быстро теряет фенотипическое сходство. В большие же временны́е периоды (от миллиарда лет), напротив, фенотипическая дивергенция становится более медленной. Примечательно, что на втором этапе за единицу времени меняется примерно одно и то же число фенотипических признаков. Такая скорость сохраняется миллиарды лет.

Полученные закономерности попробовали подтвердить экспериментально. Для этого выбрали 40 видов бактерий и протестировали их способность расти на всё тех же 62 возможных углеродных субстратах. Оказалось, что моделирование работает достаточно неплохо, с точностью 70%, а экспериментальные данные согласуются с общим трендом фенотипической дивергенции, предсказанным при помощи компьютера.

Старое новыми словами

На разных уровнях принятой таксономической классификации (рис. 2) сходство метаболических фенотипов в целом соответствовало ожиданиям.

Штаммы одного вида, как правило, имеют очень похожие фенотипы, однако некоторые виды фенотипически сильно неоднородны. Такой возможный разброс внутри вида перекликается с концепцией пангенома [3]: заметное, но допустимое, генетическое разнообразие внутри вида может повлечь за собой и фенотипическое.

На уровне рода распределение очень широкое, среднее фенотипическое сходство составляет 60%. Похоже, что фазовый переход от высокого к низкому сходству фенотипов, как правило, происходит на уровне рода. Для таксономических рангов выше семейства наблюдается ещё меньшее фенотипическое сходство. Всё это говорит о том, что полногеномные метаболические реконструкции можно использовать для уточнения бактериальной таксономии.

Фенотипические часы?

Известно, что разные гены эволюционируют с разной скоростью [4]. А как относительно них меняются фенотипы? Наиболее пристальное внимание уделили эволюции существенных генов, без которых клетка не может обходиться совсем, и синтетических леталей (см. словарь терминов).

Оказалось, что в среднем долговременная эволюция существенных генов тоже подчиняется закономерностям экспоненциального спада, как и изменение фенотипического сходства (рис. 3). Однако средняя скорость эволюции таких генов происходит быстрее и достигает насыщения на более близких генетических расстояниях. Фенотипы по сравнению с ними «запаздывают». На больших эволюционных расстояниях более половины консервативных существенных генов одного вида, как правило, остаются таковыми и в другом. Такая тенденция согласуется с доступными экспериментальными данными.

Консервативность синтетических леталей среди метаболических генов довольно низкая. Даже на близких эволюционных расстояниях синтетические летали консервативны примерно для 30% пар ортологичных (см. словарь терминов) метаболических генов. По мере того как виды расходятся дальше друг от друга, консервативность синтетических леталей падает до 5%. Это говорит о высокой чувствительности синтетических леталей к изменениям бактериальных генотипов.

Обнаруженное поведение долговременной фенотипической дивергенции бактерий напоминает молекулярные часы белковой эволюции [5]. Похоже, что подобно эволюции белков, тренды фенотипической дивергенции задаются как адаптацией бактерий к различным экологическим нишам, так и нейтральными изменениями. В каждой конкретной филогенетической линии и эволюционном контексте относительный вклад адаптивных и нейтральных изменений различен. Метаболические фенотипы, существенные гены и синтетическая летальность дивергируют с разной скоростью и неодинаково чувствительны к изменению бактериальных генотипов. Возможно, многие другие фенотипические признаки, такие как способность синтезировать различные вещества, взаимодействовать с другими видами или противостоять специфическим изменениям окружающей среды, дивергируют тоже по-разному.

Эта история может показаться немного недосказанной, что не умаляет нашей уверенности в том, что ускорение геномного и метагеномного секвенирования, а также неустанное совершенствование вычислительных методов аннотации генов очень скоро позволят отслеживать эволюцию различных фенотипических признаков на всём бактериальном филогенетическом пространстве или даже на всём дереве жизни.

Литература

1. Полные геномы галапагосских вьюрков наконец-то раскрыли механизмы их эволюции;
2. Plata G., Henry C.S., Vitkup D. (2015). Long-term phenotypic evolution of bacteria. Nature. 517 (7534), 369–72;
3. Medini D., Donati C., Tettelin H., Masignani V., Rappuoli R. (2005). The microbial pan-genome. Curr. Opin. Genet. Dev. 15 (6), 589–94;
4. Как прочитать эволюцию по генам?;
5. Сверим часы.