Один из белков сетчатки, без которого люди и вообще все позвоночные не могли бы видеть, в далёком прошлом был бактериальным ферментом.

Ген, о котором идёт речь — это IRBP, кодирующий белок, который возвращает фоточувствительным белкам опсинам способность реагировать на свет. Фоточувствительные белки в палочках и колбочках реагируют на фотоны с помощью ретиналя — сравнительно небольшой молекулы, производной витамина А. Известно, что под воздействием света структура ретиналя меняется, вслед за ним меняется структура и белка опсина, с ним связанного. Структурные изменения в опсине запускают ряд событий, которые приводят к электрохимическому сигналу — он побежит от одних клеток сетчатки к другим, пока не попадёт в зрительный нерв. Но вернуться в исходное состояние сам по себе ретиналь не может. Ему нужна помощь, и эту помощь ему оказывает белок IRBP, синтезируемый в клетках пигментного эпителия сетчатки. Слой пигментного эпителия вплотную прилегает к слою палочек и колбочек, и IRBP работает в тончайшем просвете между слоями. Вернув ретиналю рабочую конфигурацию, IRBP возвращает его фоточувствительным белкам.

(Фото: Colin Lloyd / Unsplash.com) 

Структура и функции IRBP изучены очень хорошо, и он есть у всех позвоночных, однако до сих пор было непонятно, откуда он у позвоночных взялся. Здесь имеется в виду, что у всякого гена, у всякого белка должны быть предки в более древних формах жизни. Некоторые гены чрезвычайно консервативны (обычно это гены, от которых зависит синтез белка, копирование ДНК и прочее в таком духе), то есть они очень мало меняются, переходя от предков к потомкам. Другие гены и белки меняются быстрее. Они накапливают мутации, из-за которых начинают иначе работать — например, если какой-то белок у предкового организма мог выполнять три разных функции, то у потомков он становится более специализированным, занимается чем-то одним, но зато очень хорошо. Ещё ген может удвоиться в геноме, что по эволюционным меркам случается часто, особенно у некоторых организмов. Тогда одна копия становится полигоном для мутационных инноваций, пока другая занята тем же, чем занималась всегда. Но, так или иначе, сравнивая геномы у разных организмов, можно увидеть родственные связи между генами, даже очень дальние.

В случае с IRBP такие связи найти долго не получалось. Он как бы возник ниоткуда, однако такого быть просто не могло. Скорее всего, связи не находили потому, что не хватало надёжной геномной информации от разных организмов: геномов для сравнения должно быть много, и нужно быть уверенным в каждой их генетической букве (по крайней мере, в каждой букве белок-кодирующих участков). И вот сейчас сотрудники Калифорнийского университета в Сан-Диего сообщают в PNAS, что, скорее всего, ген IRBP пришёл к позвоночным от бактерий. У бактерий это был фермент-пептидаза, то есть белок, расщепляющий другие белки, хотя одновременно он мог взаимодействовать со светочувствительными молекулами, подобными ретиналю. Попав к позвоночным, бактериальный ген дважды удвоился, но все четыре копии остались друг рядом с другом, кодируя единый четырёхчастный (четырёхдоменный) белок. Расщеплять белки IRBP разучился, зато научился выходить во внеклеточное пространство и стал лучше хватать светочувствительные молекулы.

То, что произошло с геном IRBP, называется горизонтальным переносом. Обычно про него говорят в связи с бактериями и археями: они передают ДНК не только от предков к потомкам (то есть по вертикали), но и между клетками одного поколения — то есть по горизонтали. Отчасти это можно сравнить с тем, как если бы мы начали дарить друг другу ДНК при рукопожатии или при объятии. У бактерий и архей горизонтальный перенос генов — мощный двигатель эволюции. Насчёт эукариот долгое время у исследователей оставались сомнения, происходит ли он у них вообще. Но в последнее время появляется всё больше свидетельств в пользу того, что и у эукариот горизонтальный перенос генов тоже играет большую роль. Пусть этот перенос происходит не столько между разными эукариотами, сколько между эукариотами и бактериями, но всё-таки его роль недооценивать нельзя. Мы писали, что бактериальные гены есть в разных растениях, что благодаря бактериальным генам грибы научились жить на растениях, и что в животных клетках, в том числе и человеческих, можно найти множество примеров горизонтального переноса от бактерий.

Бактериальный ген, который потом стал зрительным IRBP, попал к древним позвоночным более 500 млн лет назад. Причём он приходил несколько раз в разные группы позвоночных. Тогда их разнообразие было небольшим, активно эволюционировать в новые формы они начнут позже. Кстати, хотя сейчас позвоночные без IRBP видеть не могут, вовсе необязательно, что без бактериального подарка они так и оставались бы слепыми. Беспозвоночные живут без IRBP и без какого-либо его аналога: их светочувствительные молекулы восстанавливаются для работы без посторонней молекулярной помощи, просто благодаря очередной порции энергии света. Однако, как пишет портал Science, с геном IRBP позвоночные могли получить некоторые особые преимущества — например, ночное зрение, более совершенное, чем у беспозвоночных.