Коэволюция в системе фаг-бактерия
Любая экосистема вольтерровского типа (паразит-хозяин или хищник-жертва) является, по сути дела, иерархической системой с несколькими трофическими ярусами. Антагонистические отношения хищничества и паразитизма вторичны по отношению к процессам потребления ресурса и роста консументов первого порядка (в нашем случае - бактерий). Отсюда следует, что только тогда, когда размножение жертвы не лимитируется ресурсом, антагонизм популяций выходит на первый план, и в этом случае можно ожидать, что процесс коэволюции соответствующей пары генов проявится "в чистом виде".
Поэтому рассмотрим идеализированную модель экосистемы фаг- бактерия, в которой, с одной стороны, отсутствует проток, а с другой - нет никаких ресурсных ограничений на рост бактерий. Это означает, что каждую популяцию (и бактерии, и фага) можно охарактеризовать одним локусом (и белком) контактного взаиммодействия. Будем считать, что бактерии размножаются простым делением, а фаги - путем заражения и лизиса бактериальных клеток. Согласно сделанному предположению, экологические условия существования обеих популяций и отбора форм в каждой из них исчерпываются отношениями паразит-хозяин или хищник-жертва. Иначе говоря, единственным явным экологическим и селективным фактором для каждой мутантной формы бактерий будем считать наличие или отсутствие лизирующих мутантов фага, а для фагов соответственно - наличие или отсутствие доступных для адсорбции и лизиса мутантов бактерий. В обоих случаях отбор будем считать бинарным: выживание или гибель.
Таким образом, в центре экологических отношений двух популяций оказывается их способность к взаимной рецепции- адсорбции, которая реализуется путем специфического опознания двух белков через соответствующие контактные центры.
Положим, что замены аминокислотных остатков в пределах контактных центров полностью нарушают взаимную специфичность. Тогда почти любая замена в контактном центре рецепторного белка бактерии будет выводить ее из-под опасности заражения и лизиса соответствующей формой фага. Будем считать также, что каждое "уклонение" рецепторного белка можно компенсировать гораздо более специфичной (может быть, уникальной) заменой в контактном центре белка адсорбции у фага. Таким образом, бактерии способны мутационно "ускользнуть" от действия фага-хищника, а фаг способен мутационно "настигнуть" жертву-бактерию.
Таким образом, мы имеем типичную экосистему хищник- жертва с некоторым своеобразием взаимодействия и размножения антагонистических форм. Со времен Вольтерра этим системам посвящены сотни работ, однако в большинстве из них интерес исследователей концентрировался вокруг поиска условий устойчивого циклического сосуществования популяций и входящих в них стабильных генетических вариантов ( Вольтерра, 1976 ; Свирежев, Логофет, 1978 ). В рассматриваемом случае за время размножения незараженных клеток бактериальной культуры среди них могут возникнуть мутанты, "уклоняющиеся" от рецепции фага, способного к адсорбции. В свою очередь, за время размножения адсорбировавшихся фагов могут возникнуть мутанты, специфичные к "уклонившейся" форме бактерий. Тогда рассматриваемая экосистема будет способна не вырождаться, а сопряженно эволюционировать путем последовательной смены мутантных вариантов взаимно специфичных белков бактерии и фага. Устойчивость этого процесса в принципе отличается от устойчивости системы хищник-жертва в вольтерровской постановке.
Описанный процесс - оригинальный вариант филетической коэволюции белков. Чисто феноменологически он полностью эквивалентен процессу последовательного закрепления мутантных вариантов вдоль отдельно взятой филетической линии эволюционных древ генов и(или) белков у диплоидных организмов.
Мутации, прямо затрагивающие центры контакта, не исчерпывают, конечно, реального разнообразия изменений, посредством которых могут коэволюционировать фаги и бактерии. Известно, что процесс адсорбции контролируется не одним, а многими генами как у фага, так и у бактерии ( Адамс, 1961 ; Стент, 1965 ). Принципы их участия могут быть различны: это и синтез белков рецепции и адсорбции, и защита клеточной стенки слоем вещества, которое препятствует нормальной адсорбции, и расщепление или переработка бактерией кофакторов адсорбции, таких, например, как триптофан и т.д. Кроме того, проникновение ДНК вирулентного фага в клетку хозяина не обязательно заканчивается лизисом: бактерии способны синтезировать рестриктазы, разрушающие геном фага, который в ответ синтезирует антирестриктазы - самые ранние фагоспецифичные ферменты ( Spoerel et al., 1979 ). В этом случае решающие события также разворачиваются на уровне прямого белок-белкового взаимодействия.
По способности к коэволюции мутации в генах, контролирующих синтез рецепторов на поверхности бактериальной клетки, можно разбить, как минимум, на две группы. Первая включает мутации, меняющие структуру молекулы рецепторного белка (в том числе их центры контакта), именно для них удается "отобрать" в эксперименте "коадаптивные" мутации фага, меняющие круг хозяев (host-range, т.е. h-мутации). Уменьшение (не до нуля) плотности рецепторных сайтов при сохранении их структуры также допускает компенсаторные мутации в соответствующих генах фага ( Schwartz, 1976 ).
