Е.Кунин Био конфликты и эволюция Гамов.лекция 3.11.18 — Pervasive bio conflicts and evolution   E.Koonin

Изменено: 22.12.2018 Posted on

Его известные деревья, типа Р- и А-связывающих,  Sacha Borissova

NPLUS1.RU  «Важно разбираться, как устроена Вселенная»…Интервью  N + 1 лауреатов премии имени Георгия Гамова в 2018 годуЕвгений Кунин, руководитель группы эволюционной геномики Национальной библиотеки медицины Национальных институтов здоровья США, выпускник биофака МГУ имени Ломоносова и один из самых влиятельных мировых ученых в сфере биомедицины.  — о вероятности возникновения жизни, росте роли теории в биологии и проникновении идей эволюции в другие, небиологические науки.

N + 1: Семь лет прошло с момента выхода вашей книги «Логика случая». … обнаружения экзопланет и воды в разных частях вселенной. … — пусть десять порядков. Это же принципиально не меняет ничего.

Общие предположения: в Н-области содержится 1022 звезд, у каждой десятой есть пригодная для жизни планета; то есть имеется 1021 таких планет (несомненно, это сильное преувеличение; в действительности большинство звезд не имеет планет вовсе, не говоря о пригодных для жизни). Каждая планета размером с Землю, у каждой имеется пригодный для обитания слой толщиною 10 км (106 см); отсюда объем этого слоя 4/3π[R3-(Rl)3] ≈ 5 × 1024 см3, где R — радиус планеты, l — толщина обитаемого слоя. Синтез РНК происходит в 1% объема обитаемого слоя — то есть в объеме 5 × 1022 см3 (опять сильное преувеличение — в действительности «фабрик РНК» будет очень мало). Положим концентрацию нуклеотидов в объеме V и скорость синтеза молекул РНК размера n (свободный параметр, зависящий от специфики модели революционной стадии, далее n-мер) за 1 молекулу/см3/сек (и снова сильное преувеличение для любой молекулы сколько-нибудь значительного размера; более того, не учтена обратная зависимость от n, которая должна быть достаточно сильной). Время после Большого взрыва в данной Н-области (как верхний предел) для всех планет 1010 лет ≈ 3 × 1017 секунд. Тогда количество уникальных n-меров, опробованных за время после Большого взрыва, будет: S ≈ 5 × 1022 × 1021 × 3 × 1017 ≈ 1,5 × 1061
Предположим, что для начала биологической эволюции требуется уникальный n-мер. Количество возможных последовательностей, состоящих из nнуклеотидов, N = 4n ≈ 100,6n.
Можно ожидать, что уникальный n-мер возникнет в Н-области Е раз:Е = S/N = 1,5 × 1061/100,6n
и n = log(Е × 1,5 × 1061)/0,6 Подставив Е = 1, получаем n ≈ 102 (нуклеотида). Заметим, что, так как величина nпрямо пропорциональна логарифму S, оценка будет мало зависеть от начальных предположений о величине переменных; например, изменение S на порядок величины приведет к увеличению или уменышению n менее чем на 2 нуклеотида.
Можно представить себе рибозим-репликазу, состоящую из приблизительно ста нуклеотидов: таким образом, в принципе спонтанное появление таковой в конечной вселенной, состояшей из единственной Н-области, нельзя исключать в нашей «игрушечной» модели (и снова, скорость синтеза РНК, принятая здесь, намеренно сильна переоценена).Для появления примитивной системы сопряженной репликации-трансляции, что в данном контексте рассматривастся как революционная стадия, требования гораздо жестче. Как минимум, необходимо спонтанное появление следующего:

  • Две рРНК, с общим размером не менее 1000 нуклеотидов.
  • Примерно 10 примитивных адаптеров по 30 нуклеотидов каждый, в целом около 300 нуклеотидов.
  • По менышей мере одна РНК, кодирующая репликазу, размером примерно 500 нуклеотидов (оценка снизу). В принятой модели, n = 1800, и в результате Е < 10-1018.

Другими словами, даже в нашей игрушечной модели, которая предполагает сильно преувеличенную скорость синтеза РНК, вероятность случайного зарождения системы трансляция — репликация в единственной Н-области будет Р < 10-1018. Очевидно, эта версия революционной стадии может рассматриваться только в контексте вселенной с бесконечным (или, по меньшей мере, очень большим) количеством Н-областей.

Модель, рассмотренная здесь, ни в коем случае не предполагалась реалистичной. Она только иллюстрирует разницу в требованиях, накладываемых на вероятность возникновения разных версий революционных систем, и следовательно, связь этой версии с разными космологическими моделями вселенной.

А как менялось ваше представление об эволюции вообще?

… в том издании, которое существует, как-то совершенно не отражена роль эпигенетики. А это важно…продвигаемся в каком-то общефизическом, теоретическом понимании того, что такое сложность генома и как она возникает и эволюционирует. .

Согласно синтетической теории эволюции, эволюция жизни — это процесс активной адаптации популяций к изменяющимся условиям среды. Теперь стало очевидным, что, хотя подобная адаптация и является, несомненно, существеннейшим компонентом эволюционного процесса, в количественном отношении она не доминирует.
Эволюция жизни — это преимущественно стохастический процесс, основанный на исторической случайности, ограниченный прежде всего разнообразными условиями поддержания основ биологической организации и модулируемый механизмом адаптации.

Кроме эпигенетики, принципиально важной вещью является метагеномика. и для человеческого здоровья, кстати. Это секвенирование ДНК или РНК непосредственно из некоторой среды. Под «средой» может пониматься не только окружающая среда, но, в том числе, скажем, и человеческий кишечник или ротовая полость. Речь о микробиоме?.. не выращивание в чашках Петри или в колбах микроорганизмов, как это делалось раньше и много делается теперь, а просто секвенирование. Вы берете среду, выделяете всю ДНК, которая там есть, и секвенируете….из всех микробов, которые есть вокруг нас, не больше чем 1/10 процента способна расти в культуре — в чашке Петри. А с вирусами дело обстоит еще хуже — для еще меньшего числа мы знаем систему, чтобы их выращивать в лаборатории….можем дожить — особенно вы — до полной характеристики всех живых организмов, которые имеют место на нашей планете…. меняет представление об их эволюции и показывает, что всякие запреты, которые существуют, всякие корреляции между разными частями организмов, которые могут существовать вместе или не могут, далеко не абсолютны. ..

Любая среда. Морская вода, почва, сточные воды, горячие источники, Антарктида — любая!

Кунин — лидер по цитируемости среди ученых — выходцев из бывшего СССР, его индекс Хирша превышает 190. В 2016 году избран членом Национальной академии наук США.

Вы участвуете в довольно необычной для биолога вашего профиля коллаборации с физиками (Евгений Кунин работает с Михаилом Кацнельсоном — профессором Университета Редбауда в Голландии и давним коллегой Андрея Гейма. …Современная физика — это очень серьезно развитая наука, более зрелая, чем биология. .. Тех, кто обращается к теории, мало, их доля и в физике невелика, а в биологии еще меньше, намного меньше.

Что же касается теоретической части биологии — это моя точка зрения и ничья другая, естественно, — то, во-первых, теория становится все более важной, а во-вторых, применение физических подходов становится в ней мейнстримом. Роль теории в физике огромна, а в биологии до сих пор была ничтожна. Этот разрыв уменьшается ..

Биология в больше степени, чем физика, — историческая наука. .. история, эволюция чрезвычайно важны. Понимаете, о чем я говорю? Цитируя Должанского, «ничто в биологии не имеет смысла, кроме как в свете эволюции». …Сегодня еще один лауреат Гамовской премии, Андрей Линде, в своем докладе показал, что космология уже стала совершенно уважаемой частью физики. А это было не так еще совсем недавно, так что и в физике роль исторических обстоятельств возрастает. …С развитием космологии возникает представление о неравновесности мира, о его эволюции. Но станет ли эволюция Вселенной столь же важной для физики, как и эволюция живого для биологии, это открытый вопрос.

А насколько вообще вы видите (и предвидите) интеграцию наук, взаимопроникновение методов?

Если мы говорим о ‘sciences’, по-русски это называется «естественные науки», то, конечно, интеграция есть. В самом знании есть и разграничения между химией и физикой, химией и биологией. А во многом — между физикой и биологией. Но они уже теряют свою значимость. Да что там говорить, сейчас большинство уважающих себя физических журналов печатает статьи по биологии — разумеется, с применением физических методов или физических понятий. Но посвященные биологическим вопросам.

Это если речь о естественных науках. Но никакого взаимопроникновения с какими-то социальными, гуманитарными исследованиями я не вижу… Ну, за исключением формальной лингвистики.

А как же физические модели в социологии?

В социологии — конечно. Экономика — это вообще математическая наука в огромной степени. Конечно, есть математические и физические модели в социологии.

Больше того, есть такая чрезвычайно любопытная дисциплина, которая иногда называется клиодинамика — математическое моделирование истории. Наш соотечественник Петя Турчин придумал этот термин … по линии привнесения количественной методологии и количественного мышления в эти прежде не количественные области.

Но есть же физические методы в истории, археологии и искусствоведении?

В этом смысле, конечно, проникновение есть. Изотопное датирование, рентгенофлуоресцентный анализ картин — дело абсолютно великое. И, конечно, современная ‘computer science’ позволяет установить, Шолохов или не Шолохов написал «Тихий Дон». Ну, или, во всяком случае, один ли и тот же человек написал «Тихий Дон» и «Поднятую целину».

Больцман в своих письмах называл Дарвина «великим физиком». Это очень парадоксально, потому что Дарвин очень плохо себя чувствовал, когда видел написанное на бумаге уравнение, но очень правильно, потому что эволюция абстрактна, но она обосновывает нам натуралистическое понимание мира. Она обосновывает, что все, что мы видим, могло произойти естественным путем. Нужно искать пути и механизмы, но принципиальная возможность была показана Дарвиным.

Уже на основе этого понимания развивалась и космология, где представление о начале всего уже не является бредом, а ведь оно было абсолютно бредовым для физиков XIX века. Для них Вселенная была равновесной и вечной. Она даже может быть и вечной, но никак не равновесной.

Так что понятие эволюции проникает всюду. Более того, Дарвин открыл не только это, он еще и показал механизм, которым эта эволюция может идти, механизм естественного отбора. Позднее стало понятно, что это свойство всех систем, обладающих способностью к репликации. И оказалось, что это свойство имеет большое значение, например, в ‘computer science’, действительно в методах химической эволюции и так далее.

Из книги «Логика случая»

Согласно гипотезе Красной Королевы, коэволюционирующие системы паразит—хозяин могут поддерживать стабильную эволюционную траекторию, лишь постоянно изменяясь в непрерывной гонке вооружений. Хозяева развивают новые защитные механизмы, и паразиты отвечают, развивая механизмы взлома защиты, а также новые механизмы для атаки, уклоняющиеся от защиты, и так до бесконечности, если рассматривать эволюцию жизни в целом, или до вымирания хозяина либо паразита в каждом конкретном случае. Математическое моделирование происхождения и эволюции репликаторных систем не только неизбежно ведет к возникновению паразитов, но и показывает, что паразиты движут эволюцию механизмов репликации.Или, пожалуйста, моделирование эволюции культуры! Это несколько противоречивое понятие, но я лично считаю понятие мемов очень важным. Думаю, мы сможем найти и более глубокие аналогии даже с физическим описанием неживой природы.

Рассуждения об эволюции голословны без применения принципов популяционной генетики, которые показывают, какой процесс здесь может охватывать селекция, какой не может, какая мутация будет фиксироваться в популяции, какая не будет, и в какой популяции…. пустая болтовня. Можно добиться чего-то на качественном уровне, но немногого, так что математика здесь тоже играет решающую роль.

Из книги «Логика случая»

В соответствии с законом Красной Королевы, вирусы никогда далеко не отставали от своих клеточных хозяев (кроме тех, что вымерли). Лучший известный тому пример — эукариотические вирусы с большими геномами, такие как поксвирусы или бакуловирусы: до половины генов у этих вирусов функционируют как устройства взлома защиты, действующие против всех уровней защиты хозяина. Основная стратегия взлома защиты, применяемая этими вирусами, проста и эффективна: вирус «крадет» ген, кодирующий компонент защиты хозяина. После мутирования в вирусном геноме белковый продукт этого гена превращается из эффектора в доминантно-негативный ингибитор соответствующей системы защиты. Более маленькие вирусы не могут позволить себе сравнимый ассортимент генов взлома защиты, но тем не менее несут гены белков-охранников, которые по большей части участвуют в агрессии, например протеазы, расщепляющие белковые факторы, необходимые для трансляции РНК хозяина, но не вирусных РНК. На другом, более фундаментальном уровне знаменательное проявление эффекта Красной Королевы — быстрая антигенная вариация у некоторых вирусов, например вируса гриппа и ВИЧ, которая позволяет этим вирусам обгонять в развитии иммунный ответ хозяина.

То есть эволюция пошла в мир уже вне биологии, в сотрудничестве с математическим ее аппаратом?

Бесспорно! Еще раз повторю, Дарвин совершил величайший переворот, но настоящая эволюционная биология началась не с него. Она началась с Рональда Фишера, Джона Холдейна и Сьюэла Райта, с создания популяционной генетики.

А что насчет добиологической …существует модель возникновения каких-то протометаболических сетей, каких-то устойчивых механизмов реакций до возникновения собственно биологических систем. Мне хочется думать, что собственно биологические системы — это системы с репликаторами. Значит, то, что было до этого, — это добиологическое. Возможна ли там некая репликация этих сетей и реакций? Возможно, это и правда некий аналог эволюции, я не знаю. Я не являюсь настоящим специалистом в этой области.

Из книги «Логика случая»

Решающим в изучении происхождения жизни является вопрос о том, как начался цикл Дарвина—Эйгена, то есть как именно была достигнута наименьшая сложность, необходимая для приемлемой репликации. Даже в простейших современных системах, таких как РНК-вирусы, точность репликации в которых составляет всего 10-3 (то есть в среднем одна ошибка на 1000 нуклеотидов), и вироидах, реплицирующихся с наименьшей известной на сегодня среди всех репликонов точностью (около 10-2), репликация катализируется сложными белковыми полимеразами. Сами эти полимеразы (репликазы) синтезируются в результате трансляции соответствующих мРНК при посредстве чрезвычайно сложного рибосомного аппарата. Отсюда следует драматический парадокс происхождения жизни: для достижения минимальной начальной сложности, необходимой для того, чтобы биологическая система начала движение по Дарвину— Эйгену, эта система должна обладать гораздо большей начальной сложностью. В рамках обычного эволюционного мышления невозможно даже представить решения этой головоломки, поскольку это мышление относится исключительно к системам, уже находящимся на спирали. Таким образом, решение непременно окажется неординарным.

То есть это некий зазор между эволюцией Вселенной и эволюцией биологической?

Да. Проблемы возникновения жизни ведь прямо связаны с проблемами космологии, хотя за это утверждение меня и критикуют. И вот в каком смысле.

Инфляционная космология и понятие Мультивселенной значительно меняют наше представление о вероятности возникновения чего бы то ни было. В бесконечной Мультивселенной с бесконечным количеством вот этих самых индивидуальных пузырьковых вселенных бесконечное число раз возникает любая конфигурация частиц — это теорема… Я… ее никогда не получу, но, в общем, я отлично сплю …без премии, если никому не будут давать ни одного патента. Вот минимальная зарплата нужна, а все остальное — весьма вторичные вещи… Важно разбираться в том, как устроена Вселенная. Вот что важно.Бес.А.Борисова, Ершов

Koonin EVMulkidjanian AY в журнале Biochemistry (-M., 2015 80, № 5, с. 495-516 , продолжая в 2016 Мулкиджанян А.Я.,Штайнхофф,Шайтан К.В. в журнале Биофизика, № 6, 2016 Натрий-переносящая декарбоксилирующая оксидоредуктаза у термотог?Биохимия,  В СИСТЕМЫ NА+/К+-ГОМЕОСТАЗА КАК ПРЕДШЕСТВЕННИКИ МЕМБРАННОЙ БИОЭНЕРГЕТИКИ ГАЛЬПЕРИН М.Ю., ДИБРОВА Д.В., КУНИН Е.В., МУЛКИДЖАНЯН А.Я. — 2015 г. Цитоплазма всех клеток — архей, бактерий и эукариот — содержит значительно больше калия, чем натрия, ранее объяснена возникновением первых клеточных организмов в богатой калием среде…в геотермальном паре, мы ранее предположили, на периферии древних бескислородных геотермальных полей в водоемах из парового конденсата, элементный состав  близок химии цитоплазмы современных клеток. …эволюционный сценарий,.. выживания в богатых натрием водоемах могла способствовать как постепенному уменьшению проводимости клеточных мембран, так и появлению различных редокс-, свето-, хемо- и осмозависимых систем откачки ионов натрия. Взаимодействие их привело к возникновению натрий-зависимой мембранной биоэнергетики, до протонной биоэнергетики у бактерий и архей. Параллельно … натрий-калиевый градиент на плазматической мембране для нужд клетки.naukarus

Как пишет Евгений Кунин — Логика случая. О природе и происхождении …Каталитические домены АРСаз классов I и II принадлежат, соответственно, к укладкам Россмана и [126] биотин-синтазы , распространённых в биоте семейств генов,  типичных аминоацил-тРНК-синтетаз (I-го класса ферменты с так называемой укладкой Россмана, связывающие нуклеотиды).

Исходя из вирусов (системы Агола) он изучал эволюцию, сравнение и систематику все больших геномов, борьбы с ними: «Вся история жизни — это гонка вооружений между хозяевами и паразитами. ..любой иммунитет основан на распознавании своего и чужого… Красной королевы из «Алисы в Стране чудес», чтобы оставаться на месте, нужно бежать как можно быстрее (1а- в Библии эффект Матфея, Мф.24-25, притчи о талантах)… система CRISPR? Она заимствует геном паразита — не весь, конечно, а кусок, достаточно длинный, чтобы его точно (ну, почти-почти точно) не было в геноме самой …Вирусная ДНК, встроенная в геном хозяина, используется для синтеза специальной молекулы РНК, комплементарной вирусному геному, которая и служит, собственно, вакциной. Специальные ферменты разрезают вирусный геном в месте присоединения этой РНК и тем самым убивают вирус…адаптируются к системе иммунитета и мешают ей. Очень часто происходит так, что вирус захватывает компонент хозяйской защитной системы и его же использует против нее. Этот компонент меняется и перестает работать…гонка вооружений ведет к разнообразию как вирусов, так и хозяйской системы защиты.

Стратегии выживания вирусов…размножиться максимально быстро … цели — эффективное размножение и сохранение жизни хозяина — часто приходят к противоречию. … «умеренный» образ жизни, не убивая хозяев, требует снижать интенсивность размножения.

Другая стратегия максимально размножиться и перейти к другому. Преимущество той или другой стратегии зависит от стабильности окружающей среды. Если паразит может «предвидеть», что популяция хозяина будет стабильна …сочетать обе эти стратегии…когда что-то плохое угрожает его существованию, вирус активируется, выходит из своего полусонного состояния, убивает хозяина и переходит к другому.

Вирусы и эволюция…вирусы могут стимулировать иммунитет. Были даже попытки вылечить рак …можно математически показать, что возникновение многоклеточных организмов стимулируется во многом именно защитой от вирусов…. программируемой клеточной смерти может себя убить и избавить других от вируса…теломераза …была обратной транскриптазой, в МГЭ ранних эукариот …наш собственный геном где-то на две трети или чуть меньше состоит из остатков мобильных генетических элементов. ..мусор, но их так много, что многие из них используются для всяких нужд. Эволюция и классификация вирусов. В 1971 году великий американский ученый Дэвид Балтимор предложил классифицировать вирусы в зависимости от типа геномной нуклеиновой кислоты — ДНК или РНК. ..У бактерий и архей подавляющее большинство — это вирусы, содержащие двуцепочечную ДНК. А у эукариот существенно преобладают РНК-вирусы, ..большие ДНК-содержащие вирусы не могут распространяться в растениях, они там не выживают и присутствуют только в водорослях.

Эволюция иммунитета…у эукариот, как правило, происходит нарезание генома РНК-вируса на мелкие кусочки, и потом часть этих кусочков используется для того, чтобы узнать уникальное место в геноме паразита и разрушить его при помощи фермента нуклеазы…И следующий шаг заключается в том, чтобы обеспечить вакцинацию. Именно это делает система CRISPR. Она платит за это довольно большой сложностью и возможностью аутоиммунных реакций. …чтобы использовать комплементарность нуклеиновых кислот, тот же принцип репликации, для того чтобы отделять чужое от своего и разрушать его. …при помощи специфических белков — это то, что делает наша иммунная система, применяя рецепторы на клетках, которые узнают вирус, и растворимые антитела. …вирусы, которые являются тупиком эволюции и в то же время убивают хозяина — их действительно можно и нужно устранить. Против основных вирусных болезней есть хорошие вакцины, за исключением быстроменяющихся вирусов, таких как грипп или ВИЧ. …предсказать эволюцию этих вирусов в микромасштабах …возникающих вирусах, сколько в приходящих из разных далеких мест, таких как вирус Зика.

 

В математике древо — это все-таки двоично разветвляющийся граф, хотя бы направленный ациклический граф, — то есть несколько его ветвей могут выходить буквально из одной математической точки.

Антропоцентричное древо жизни ГеккеляНо  ядерные организмы возникли в результате симбиоза двух клеток. возникает цикл, стали растениями в результате приобретения хлоропласта. Практически все насекомые несут в себе внутриклеточные симбиотические бактерии, представление о топологии этого «дерева» изменилось.  Геном млекопитающих приблизительно на 2/3 состоит из остатков вирусных геномов. А геном растений, например кукурузы, на все 90 процентов. «Происхождения жизни» вместо этой знаменитой картинки…. сеть обмена генами, геномами, слияния геномов и так далее, из которой местами действительно вырастают древовидные образования….я сомневаюсь, что можно построить осмысленное однозначно разрешенное дерево всех ядерных организмов. Можно, конечно, построить древо жизни для некоторых растений или животных,..эволюции гриппа за последние сто лет. …сначала по последовательности рибосомальной РНК, мы получаем одну топологию эволюционного дерева. Если по другой последовательности (тоже очень важной, например, последовательности аминоацил-тРНК-синтетазы), то получается совершенно иная топология. Получается, что невозможно поймать «корень» этого дерева, получается, что на каком-то этапе существовал целый пул генов, которыми все совершенно свободно обменивались. 

про LUCA, последнего общего предка? 

Сетевая история жизни в иллюстрации Ford Doolittle.В нем была система трансляции, которая очень слабо отличалась от современной. метаболические процессы, не стоит перечислять их в точности, существовали какие-то мембраны. фотосинтезирующим? давно, но заметно позже. И не один раз.

…аминокислоты, соединенные в маленькие цепочки, довольно легко образуются абиогенным путем, без участия живых организмов, …могут помогать реакциям, которые катализируют так называемые рибозимы — каталитические РНК. И эта идея развивается примерно по такому пути: эволюция шла путем привлечения (сначала без всякого кодирования) аминокислот, потом пептидов или одновременно и аминокислот, и пептидов в этот мир РНК. И возникло то, что может служить аналогом транспортной РНК, то есть РНК-овых молекул, которые связывались с аминокислотами и выполняли некоторые каталитические функции лучше, чем другие, которые не связывались.

два базовых неродственных семейства, одно из которых отвечает за одни десять аминокислот, а другое за другие. Все они уже, насколько мы знаем, присутствовали в этом самом LUCA.Теперь, если мы построим некое эволюционное дерево для центральных доменов этих ферментов, мы увидим, что специализации этих самых аминоацил-тРНК-синтетаз предшествовала длительная эволюция самих белков. ….и только потом они стали, собственно, основой генетического кода. …на РНК.

Теперь самое интересное — как от этого перейти, собственно, к возникновению генетического кода? Многие, и мы в том числе, пытались строить некие схемы того, как это могло произойти. Они подразумевают существование некого большого РНК-фермента, который в какой-то момент переключается на синтез белка, а некоторые другие РНК становятся матричными РНК…

 

 

Железосерные кластеры Fe—S- используют в матриксе аконитазы Aco1 и Lys4, биотинсинтаза Bio2 и синтаза липоевой кислоты Lip5.

У Кунина….Изучение эволюции белковых доменов дает аргументы в пользу сложного мира РНК: взгляд сверху вниз…система трансляции – единственный сложный ансамбль генов, сохранившийся во всех современных клеточных формах жизни. Современная … 60 универсальных белок-кодирующих генов и 40 генов структурной РНК, представляет собой наилучшим образом сохранившийся остаток LUCA(S) и лучшее свидетельство … (см. гл. 11). … 18 из 20 аминоацил-тРНК-синтетаз (АРСаз), несколько факторов трансляции, не менее 40 рибосомных белков и некоторое число ферментов, модифицирующих рРНК и тРНК. (Anantharaman et al., 2002).

Однако сравнение последовательностей и структур белковых компонентов и РНК внутри самой системы трансляции оказывается информативным благодаря большому числу паралогов среди соответствующих генов….давшая ей начало дупликация, естественно, относится к более ранней стадии эволюции, …История паралогичных АРСаз особенно показательна. АРСазы образуют два класса по 10 специфичностей каждый (то есть каждый класс отвечает за распознавание и активацию 10 аминокислот), с неродственными каталитическими доменами и различными наборами вспомогательных доменов. Каталитические домены АРСаз классов I и II принадлежат, соответственно, к укладкам Россмана и биотин-синтазы[126]. Анализ эволюционной истории … огромное структурное и функциональное разнообразие белковых доменов возникло еще до того, как появилась полноценная, состоящая из РНК и белков система трансляции современного типа.
Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Рис. 12-2а. Разнообразие белковых доменов, кристаллизация системы трансляции и LUCA(S): эволюция нуклеотид-связывающих доменов укладки Россмана. Указаны только достаточно хорошо изученные белки. USPA – универсальный фактор стресса А; ETFP – электронтранспортный флавопротеин; vWA – фактор фон Виллебранда А; Toprim – каталитический домен топоизомераз, праймаз и некоторых нуклеаз; ДГК – дегалогеназа галоидных кислот; Receiver – компонент двухкомпонентной сигнальной системы прокариот; TIR – широко распространенный домен белок-белкового взаимодействия в сигнальных системах прокариот и эукариот; Sir2-деацетилаза белков (в частности, гистонов). Подробное описание см. Aravind et al., 2002 и ссылки в этой статье.
Евгений Кунин - Логика случая. О природе и происхождении биологической эволюции
Рис. 12-2б. Эволюция нуклеотид-связывающих доменов ГТФаз и родственных им АТФаз, по данным из Leipe et al., 2002. Указаны только хорошо изученные белки. Динеин, динамин, кинезин и миозин – моторные ГТФазы и АТФазы, ассоциированные с цитоскелетом; Ras/Rho – сигнальные ГТФа-зы, ассоциированные, в частности, с эндомембранной системой эукариот; G-белки – ассоциированные с мембраной ГТФазы, функционирующие совместно с G-белок-сопряженными рецепторами; PurA и PyrG – ферменты метаболизма нуклеотидов; ArgK, аргинин-киназа, – фермент метаболизма аминокислот; Mrp и MinD – АТФазы, участвующие в клеточном делении прокариот; SRP – частица узнавания сигналов.
Эволюционный анализ обширнейшего класса фосфат-связывающих доменов (известных также как P-петли) ГТФаз, в котором множество трансляционных факторов образует компактные семейства, приводит, в сущности, к тому же …возникли сравнительно поздно (см. рис. 12-2а; Leipe et al., 2002). ГТФазы образуют лишь одну из многих больших ветвей эволюционного древа укладки, содержащей Р-петлю, которая включает огромное разнообразие белковых доменов, связывающих НТФ (нуклеозидтрифосфаты – чаще всего субстратом является АТФ, гораздо реже ГТФ и изредка – другие НТФ) и расщепляющих β-γ-фосфодиэфирную связь (см. рис. 12-2б). Эта укладка является самым распространенным доменом во всех прокариотах (Wolf et al., 1999b), и во всех реконструкциях генетического разнообразия LUCA(S) выявляется несколько десятков содержащих Р-петлю белков. Таким образом, интенсивная эволюция домена, содержащего Р-петлю, предшествовала не только LUCA(S), но и, что еще более удивительно, современной системе трансляции. Сама Р-петля (известная также под названием мотива Уолкера A[127], рис. 12-3), богатая глицином петля, оборачивающая фосфатный конец НТФ-субстрата, является наиболее консервативным мотивом среди всех белковых последовательностей, несомненно зафиксированным на самых ранних стадиях белковой эволюции (Gorbalenya and Koonin, 1989; Trifonov et al., 2006)..
Ученые разглядели, как CRISPR-Cas9 разрезал ДНКкак CRISPR-Cas9 разрезал ДНК.11.2017 в работе в режиме реального времени.

Кунин предпологает, что АРСазы первого типа произошли от древних протеинов, имеющих так называемый Walker A motif (они занимались переноской АТФ и присоединением её к другим белкам), в второго типа — от биотин синтазы… до появления рибосомного синтеза … во времена «равноправия» левых и правых аминокислот). 15.09.2012   АРСазы второго класса (см. «Кодазы помогают понять…» ) более древние и породили огромное количество генных семейств — от аминокислотных синтетаз (например, гистидина или аспарагина) до РНК и ДНК-полимераз и транспептидаз, которые нерибосомно синтезируют пептиды. первых белков до рибосомы. гомологи атипичной архейной сериновой АРСазы были найдены в геномах различных бактериальных видов, преимущественно принадлежащих группам α- и β-протеобактерий, а также некоторых представителей родов Clostridium, Bacillus и Streptomyces. на раннем дорибосомном этапе D-аминокислоты остались важны лишь как субстрат для транспептидаз пептидогликана (псевдопептидогликана архей) и тейхоевых кислот, а также пептидов-регуляторов.  АРСаз первого класса и многочисленных его функциональных гомологов — от синтаз веществ, участвующих в регуляции окислительного стресса (всяких тиолов) до пептидаз.
…в статье «Кодазы…» аргументируется их попарное расположение на древних тРНК.  29.03.2012

 

Последняя — лекция премии Гамова

Всесторонние биологические конфликты и эволюция сложности Евгений В. Конин Национальный центр биотехнологической информации, НЛМ, НИУ РАН, IX IC, 3 ноября 201 г. www.ncbi.nlm.nih.gov/research/groups/koonin/

мы самовоспроизводящиеся генетические системы Репликаторы и геномы паразитов Появление самости и несамоуправляемости Автономные и самостоятельные самореплицируемые генетические системыХорошие клетки и вирусы Возникновение инфекционных механизмов, систем защиты и противодействия, эволюционная гонка вооружений Автономные и полуавтономные самообороны, репликация генетических системХорошие клетки и транспозоны. Возникновение контроля репликации внутригеномных ДНК; горячие точки эволюционной инновации Автономные и полуавтономные самовоспроизводящиеся генетические системы. Хронические клетки и плазмиды. Возникновение полезных генов-грузов, систем плазмидной зависимости, эффективных механизмов обмена и переноса генов. Сообществ одноклеточных организмов. Отдельные клетки. Появление механизмов обмена информацией и восприятия кворума; репликационный контроль апоптоза и многоклеточность Многоклеточные организмыСома и зародышевая линия

Появление сложных органов и половое размножение  Покупатели Индивидуальные члены Возникновение сотрудничества на уровне населения; (с мужчинами и женщинами) Появление сексуального отбора и полового диморфизма

Биосфера Виды в разных нишах Возникновение межвидовой конкуренции, отношения хозяина-паразита и хищника-жертвы, взаимности Общества …

Конкурирующие взаимодействия и расстроенные состояния пронизывают биологию • Вирусы являются наиболее распространенными биологическими объектами в биосфере: 10-100 частиц вируса на клетку в большинстве мест обитания 1 см3 морской воды содержит 106-109 частиц вируса. В воде, почве и кишечнике имеются сухие миллионы бактериофагов. (2005) Nature 437: 356 Edwards and Rohwer (2005) Nat. Rev. Microbiol. 3: 504 Вирусы являются доминирующими субъектами в биосфере — физически и генетически — как показывают вирусные метагеномики — исследования виромов. Оценки в масштабах всей планеты: ~ 5 × 1030 бактерий против 1032 вирусов. Человеческое тело: ~ 1014 человеческих клеток против 1015 бактерий против ~ 1016 вирусов (1а- устарело) 0 1000 2000 3000 # POGs # Фаги dsDNA бактериофаги dsDNA вирусы археи ssDNA вирусы археи и бактерий ssRNA бактериофаги dsRNA бактериофаги Вирусы: «Бесконечный» пул генетического разнообразия — основной источник новых генов на Земле? Kristensen et al. J. Bacteriol 20131 1 0 100 1000 100000 5 0 100 150 200 250 300 350 400 Количество COG Количество организмовDATA Core Cloud Bacteria / Shell archaea Частоты генной частоты для вирусов и клеточных форм жизни значительно отличаются от Koonin, Wolf 2008 Неизбежность паразитовParasites (читеры ) развиваются в ЛЮБОЙ системе репликаторов (например, гиперцикл): как только есть ресурс для кражи, такой как репликация, кто-то найдет способ жить, украв его. Maynard Smith J (1979) Гиперциклы и происхождение жизни. Природа 280: 445-446 Конин, Волк, Катнельсон. Неизбежность возникновения и стойкости генетических паразитов, вызванных эволюционной нестабильностью состояний, свободных от паразитов. Biol Direct 2017 http://www.biorxiv.org/content/early/2017/08/30/182410  Доступно формально:

защищенные от паразитов состояния репликаторов являются термодинамически неабсолютичными репликационными данными. Последовательность действий: копии с ошибками Простейшая система репликаторов обратной связи Koonin, Wolf , Кацнельсон. Неизбежность возникновения и стойкости генетических паразитов, вызванных эволюционной нестабильностью состояний, свободных от паразитов. Репликатор Biol Direct 2017 replicase Информация RES Информация RRS Репликация: память RRS модуля параллельного параллельного модуля RRS Конон, Вольф, Катнельсон. Неизбежность возникновения и стойкости генетических паразитов, вызванных эволюционной нестабильностью состояний, свободных от паразитов. Biol Direct 2017replicator replicase parasites RES, сигнал RRS репликации RRS, сигнал распознавания репликацииParasites сохраняют сигнал распознавания репликации, но теряют сигнал выражения репликации Koonin, Wolf, Katsnelson. Неизбежность возникновения и стойкости генетических паразитов, вызванных эволюционной нестабильностью состояний, свободных от паразитов. Biol Direct 2017 replicator без паразита равновесие, неустойчивое в отсутствие передового защитного репликатор паразита равновесие, возможно с защитой оборонной системы, эффективность защиты при отсутствии паразитов, селекционные действия для снижения стоимости защиты при наличии паразитов, выбор поддерживает ограниченную защиту. Только хост- Паразитарные равновесия устойчивы Конин, Волк, Катнельсон. Неизбежность возникновения и стойкости генетических паразитов, вызванных эволюционной нестабильностью состояний, свободных от паразитов. Biol Direct 2017 Неизбежность генетических паразитов / эгоистических элементов в клеточном мире: возможно ли воспаление паразитов? • (Почти) все клеточные формы жизни являются хозяевами разнообразных генетических паразитов с различными уровнями автономии, включая плазмиды, транспозоны и вирусы. • Теоретическое моделирование эволюция первичных репликаторов свидетельствует о том, что паразиты («читеры») обязательно эволюционируют в таких системах и могут находиться в ярости в первую очередь через разделение. • Учитывая (близкую) повсеместность, изобилие и разнообразие генетических паразитов,

What happens to the key population/thermodynamic quantities during major transitions?
I(N) increases with genome size D(N) remains ~constant over wide range of genome size, drops for large genomes  Koonin, Phil Trans A 2016 Major evolutionary transitions as adiabatic firstorder
transitions with constant entropy and  changing temperature dI The three panels schematically show the changes in effective population size (top), evolutionary information density (middle panel) and evolutionary innovation potential (bottom) at a MTE that is shown by the vertical dotted line.
Katsnelson, Wolf, Koonin, Phsys Scripta 2018
• We introduce a self-organized critical model of punctuated equilibrium with many
internal degrees of freedom ( M) per site. We find exact solutions for M→∞ of
cascade equations describing avalanche dynamics in the steady state. This proves
the existence of simple power laws with critical exponents that verify general
scaling relations for nonequilibrium phenomena. Punctuated equilibrium is described by a devil’s staircase with a characteristic exponent τfirst=2−d/4 where d is the spatial dimension. Stefan Boettcher and Maya Paczuski  Exact Results for Spatiotemporal Correlations in a Self-Organized Critical Model of Punctuated Equilibrium, PRL 1996  Self-organized criticality behind the major transitions Non-adaptive origin of genomic complexity Lynch M. The frailty of adaptive hypotheses for the origins of organismal complexity. Proc Natl Acad Sci U S A. 2007  Lynch M, Conery JS. The origins of genome complexity. Science. 2003 Nov 21;302(5649):1401-4.

Complete genomic sequences from diverse phylogenetic lineages reveal notable increases in genome complexity from prokaryotes to multicellular eukaryotes. The changes include gradual increases in gene number, resulting from the retention of duplicate genes, and  More abrupt increases in the abundance of spliceosomal introns and mobile genetic elements. We argue that many of these modifications emerged passively in response to the long-term population-size reductions that accompanied increases in organism size.  According to this model, much of the restructuring of eukaryotic genomes was initiated by nonadaptive processes, and this in turn provided novel substrates for the secondary evolution of phenotypic complexity by natural selection. The enormous long-term effective
population sizes of prokaryotes may impose a substantial barrier to the evolution of complex genomes and morphologies.  Not all mutations are visible to selection: drift  threshold  Splendor and misery of adaptation, or the importance of neutral null  for understanding evolution. Koonin, BMC Biol 2016
(T)  Low temperature,  low (innovation) potential High temperature, high innovation potential
Competing interactions and frustration  in physical and biological systems Potential ~ Fitness  Competing interactions drive evolution of complexity Katsnelson, Wolf, Koonin, PNAS 2018 Frustration in a high-dimensional  space leads to self-organized criticality Self-organized criticality in glassy spin systems requires  a diverging number of neighbors.  Andresen JC, Zhu Z, Andrist RS, Katzgraber HG, Dobrosavljević V, Zimanyi GT. PRL  We investigate the conditions required for general spin systems with frustration  and disorder to display self-organized criticality, a property which so far has been established only for the fully connected infinite-range Sherrington-Kirkpatrick Ising spin-glass model [Phys. Rev. Lett. 83, 1034  (1999)]. Here, we study both avalanche and magnetization jump distributions  triggered by an external magnetic field, as well as internal field distributions
in the short-range Edwards-Anderson Ising spin glass for various space dimensions
between 2 and 8, as well as the fixed-connectivity mean-field Viana-Bray model.
Our numerical results, obtained on systems of unprecedented size, demonstrate
that self-organized criticality is recovered only in the strict limit of a diverging number of neighbors and is not a generic property of spin-glass models in finite space dimensions. Competing interactions and frustrated states permeate biology  System Frustration-producing  elements (competing  interactions)
Evolutionary consequences Proteins Hydrogen and Van derWaals bonds between side chains of monomers Emergence of stable conformations and semi-regular patterns in protein structures
Gene regulation  networks  Activators and repressors Emergence of meta-stable expression patterns
Cells Membranes and channels Emergence of compartments and cellular machinery dependent on
electrochemical gradientsAutonomous and semi-autonomous  self-replicating genetic systems Replicator and parasite  genomes  Emergence of self vs nonself  discrimination  Autonomous and
semi-autonomous  self-replicating  genetic systems
Host cells and viruses Emergence of infection  mechanisms, defense and counter-defense systems,
evolutionary arms race  Autonomous and  semi-autonomous self-replicating genetic systems
Host cells and transposons Emergence of intra-genomic  DNA replication control; hotbeds
of evolutionary innovation Autonomous and semi-autonomous self-replicating genetic systems
Host cells and plasmids Emergence of beneficial cargo genes, plasmid addiction  systems, efficient gene exchange  and transfer mechanisms  Communities of  unicellular organisms Individual cells Emergence of information exchange and quorum sensing  mechanisms; replication control apoptosis and multicellularity   Multicellular  organisms
Soma and germline Emergence of complex bodies  and sexual reproduction
Populations Individual members Emergence of population-level cooperation; kin selection
Populations Partners with unequal  parental investment (males  and females)
Emergence of sexual selection  and sexual dimorphism  Biosphere Species in different niches Emergence of interspecies  competition, host-parasite and  predator-prey relationships,
mutualism Societies … …Competing interactions and frustrated states permeate biology
•Viruses are the most abundant biological entities in the biosphere: 10-100 virus particles per cell in most  habitats   1 cm3 of seawater contains 106-109 virus particles There are millions of diverse bacteriophage species  in the water, soil, and gut  Suttle, C.A. (2005) Nature 437:356 Edwards and Rohwer (2005) Nat. Rev. Microbiol. 3:504  Viruses are the dominant entities in the biosphere – physically and  genetically – as shown by viral metagenomics – virome studies Earth-wide counts: ~5×1030 bacteria vs ~1032 viruses Human body: ~1014 human cells vs ~1015 bacteria vs ~1016 viruses
0  1000 2000  3000# POGs# Phages  dsDNA bacteriophages  dsDNA viruses of archaea ssDNA viruses of archaea and bacteria ssRNA bacteriophages  dsRNA bacteriophages Viruses: “Infinite” pool of genetic diversity –the main source of new genes on earth?  Kristensen et al. J. Bacteriol 2013
1 1 0  100  1000  10000
0 5 0 100 150 200 250 300 350 400 Number of COGs Number of Organisms
DATA Core Cloud Bacteria/Shell archaea  Gene frequency plots for viruses and cellular life forms
are drastically different   Koonin, Wolf 2008  Inevitability of parasites
Parasites (cheaters) evolve in ANY replicator system (e.g. hypercycle): as soon as there is a resource to steal, such as a replicase, someone will find a way to live by stealing it  Maynard Smith J (1979) Hypercycles and the origin of life. Nature 280:445–446  Koonin, Wolf, Katsnelson. Inevitability of the emergence and persistence of genetic parasites caused by evolutionary instability of parasite-free states. Biol Direct 2017  http://www.biorxiv.org/content/early/2017/08/30/182410
More formally: parasite-protected states of replicators are thermodynamically unstable
replicator replicase  information action progeny: copies with errors The simplest replicator systems
feedback Koonin, Wolf, Katsnelson.
Inevitability of the emergence and persistence of genetic parasites caused by evolutionary instability of parasite-free states. Biol Direct 2017 replicator  replicase RES  information RRS information Replicase: memory  RRS of RRS comparison module  pass/block  mechanism
Koonin, Wolf, Katsnelson. Inevitability of the emergence and persistence of genetic parasites caused by evolutionary instability of parasite-free states. Biol Direct 2017
replicator  replicase parasites RES, replicase expression signal RRS, replication recognition signal
Parasites retain replicase recognitions signal but lose  replication expression signal  Koonin, Wolf, Katsnelson. Inevitability of the emergence and persistence of genetic parasites caused by evolutionary instability of parasite-free states. Biol Direct 2017
replicator  parasite-free  equilibrium, unstable in the absence of advanced defense replicatorparasite  equilibrium,  possible with defense system collapse defense efficiency in the absence of parasites, selection acts to  reduce defense   cost in the presence of parasites, selection supports limited defense Only host-parasite equilibria are stable  Koonin, Wolf, Katsnelson. Inevitability of the emergence and persistence  of genetic parasites caused by evolutionary instability of parasite-free states. Biol Direct 2017       Inevitability of genetic parasites/selfish elements in the cellular world: is it possible to
purge parasites?• (Almost) all cellular life forms are hosts to diverse genetic parasites with
various levels of autonomy including plasmids, transposons and viruses
• Theoretical modeling of the evolution of primordial replicators indicates
that parasites (‘cheaters’) necessarily evolve in such systems and can be
kept at bay primarily via compartmentalization • Given the (near) ubiquity, abundance and diversity of genetic parasites, the question becomes pertinent: are such parasites intrinsic to life?
• At least in prokaryotes, the persistence of parasites is linked to the rate of horizontal gene transfer (HGT)
• Asexual clonal populations are doomed to extinction by accumulation of deleterious mutations: Muller’s ratchet  • HGT > threshold — escape from Muller’s ratchet • HGT > threshold — parasite persistence • h*MR > h*PP — no chance to purge parasitic selfish elements Takeuchi, Kaneko, Koonin G3 2014  Iranzo, Puigbo, Lobkovsky, Wolf, Koonin, GBE 2016 Testing the parasite persistence condition on 35 clusters of closely  related bacterial and archaeal genomes Puigbo et al BMC Biol 2014; Iranzo et al, GBE 2016  Persistence  condition: h>de  Holds for most microbes and most gene families  Between a rock and a hard place: Muller’s ratchet vs parasite persistence – can microbes eliminate parasites by lowering HGT rate?  Iranzo et al GBE 2016 Ne, effective population size; de, effective deletion bias
For most bacterial and archaeal genes,  even those devoid of active proliferation capacity: h*MR > h*PP
Thus, persistence of genetic parasites/selfish elements  is the price to pay for maintenance of host genome  integrity and hence inevitable; moreover, most genes tend to be “selfish” Iranzo et al. GBE 2016  Parasites promote evolution of complexity and major evolutionary transitions -Genetic parasites and evolution of  multicellularity The class of replicators customarily called “parasites” is known to play
important roles for the evolutionary dynamics of RNA-like replicator systems. Parasites are molecules that do not catalyze replication of other molecules but can be replicated by the catalysts, possibly at a faster rate than the catalysts themselves. Under well-mixed conditions, the parasite can bring
a replicator system to extinction by (over)exploiting catalysts. Because of
this inherent instability of RNA-like replicator systems against the parasite,
it is necessary to consider spatial structure in the population of replicators
and the discreteness of the population, which can prevent the extinction
caused by parasites. Moreover, if extinction is prevented through spatial
pattern formation, the parasite can contribute to the evolution of complexity in RNA-like replicator systems.  Takeuchi N, Hogeweg P. The role of complex formation and deleterious mutations for the stability of RNA-like replicator  systems. J Mol Evol. 2007 Dec;65(6):668-86.
Parasites drive evolution of complexity, in particular, compartmentalization Selection pressures involved in pathogen-host interaction  Unicellular Multicellular ↑ per capita  growth↓ exposure to
pathogens ↑ pathogen transmission Suicide Iranzo et al. Cell Cycle 2015 Population model Replication /
Death Pathogen arrival d1 r1 (1 – pm) r2 (1 – pm) r3 (1 – pm) r1 pm r2 pm r3 pm r4 pm a4 d2 d3 d1 Tradeoff: Opposite effects of multicellularity on replication and pathogen exposure • Multicellularity protects against parasite through suicide Iranzo et al. Cell Cycle 2015 Population model Infection event
productive suicide immunity a (1 – ps)(1 – pi)(1 – ps) pips(cost cs ps)(cost ci pi)(offspring size M)Iranzo t al. Cell Cycle 2015Singletons, no suicide Clusters, suicide increasing pathogen pressure0.450.5100.500.51a = 0.10.00.2100.500.51a = 0.20.80.9100.500.51Fitnessa = 0.01Under strong pathogen pressure, suicide/multicellularity provide the only path to high fitness Evolution of multicellularity/programmed cell suicide under the pressure of pathogens Iranzo et al. Cell Cycle 2015
Major transitions in evolution  Evolutionary Transition in Individuality: New levels of selection • Origin of cells • Eukaryotic cells • Multicellularity • Eusociality • Society Koonin Phil Trans Royal Soc 2016
• Evolution of complexity in physics and biology is driven by competing interactions that generate frustrated states in multiple dimensions and self-organized criticality • Emergence and persistence of selfish genetic elements/viruses are inevitable in any evolving replicator system/population: A major biological universal • Perennial parasite-host arms race drove evolution of cellular organisms including the first cells, multicellularity and most likely other major evolutionary transitions• Emergence of new levels of complexity from simple physical principles… general physical theory of biology