Приобретение генетического материала другого вида путем его внедрения в собственный геном называется горизонтальным переносом генов (ГПГ). У прокариот – это обычное явление. Чаще всего ГПГ происходит между филогенетически родственными видами. Реже он возможен и между высоко дивергентными организмами. Как выяснили американские ученые, ГПГ случается даже между человеком и его облигатным паразитом Neisseria gonorhoeae. Такой обмен генетическим материалом может иметь существенное влияние на коэволюцию человека и населяющей его организм микробиоты.Наряду с накоплением мутаций и их вертикальным наследованием (от поколения к поколению), обмен генетическим материалом путем горизонтального переноса генов (ГПГ) является важнейшим механизмом эволюции бактерий. ГПГ позволяет быстрое приобретение сложных физиологических функций в ходе одного молекулярного события. Например, у кишечной палочки около 17% генома сформировано в ходе ГПГ. Хорошо известно, что с помощью этого механизма бактерии передают друг другу новые биосинтетические функции, свойства вирулентности, устойчивость к антибиотикам.
Несмотря на тесные функциональные взаимодействия бактерий (комменсальных или патогенных) с их эукариотическими хозяевами, и постоянно растущий объем данных полного секвенирования геномов, бактериальная интеграция генетической информации хозяина отмечается крайне редко. Потенциально такой обмен может оказывать серьезное влияние, как на эволюцию микроба, так и на эволюцию хозяина. И, хотя понятно, что ГПГ в данном случае серьезно ограничивается наличием функциональных барьеров (таких, как аппарат рестрикции/модификации или недоступность генома хозяина), поиски примеров таких молекулярных событий ведутся постоянно.
И вот, американским ученым из Департамента микробиологии-иммунологии Северо-западного университета в Чикаго удалось доказать горизонтальный перенос ретротранспозона L1 человека в геном возбудителя гонореи Neisseria gonorhoeae. Работа опубликована в последнем номере журнала mBio.
Для поиска генетических элементов человека в геноме N. gonorhoeae провели сравнение последовательностей генома человека с полными геномами 16 штаммов гонококка. В четырех штаммах были обнаружены 685-нуклеотидные элементы на 98-100% совпадающие с последовательностью ретротранспозона L1 человека.
Геномы млекопитающих содержат множество копий ретротранспозонов (мобильных элементов ретровирусного происхождения) LINE L1 (длинные рассеянные элементы (long interspersed elements)). L1 кодируют белок, связывающийся с нуклеиновыми кислотами (nucleic acid binding protein), и белок, обладающий активностями эндонуклеазы и обратной транскриптазы. Оба белка участвуют в мобилизации L1 и его встраивании в другие участки генома (ретротранспозиции).
Нейсерийные L1 (nL1) содержали полные последовательности, кодирующие оба белка. Сайт инсерции nL1 в геном бактерии был одинаковым у всех четырех штаммов.
Различными методами авторы отследили возможность ложной идентификации L1 и доказали, что присутствие nL1 в геномах гонококковых штаммов является следствием ГПГ, а не артефактом секвенирования.
Дальнейший анализ распространенности nL1 среди 62 штаммов комбинацией молекулярных и биоинформатических методов показал, что частота аллеля невысока и составляет приблизительно 11%. Интересно, что среди nL1-позитивных штаммов были возбудители самых разных проявлений гонококковой инфекции (неосложненные инфекции, воспалительные заболевания органов таза, диссеминированная гонококковая инфекция).
Сравнение с геномами 212 штаммов возбудителя менингита N. meningitides и 19 штаммов комменсальных нейсерий (непатогенных бактерий, населяющих организм человека) показало, что ретротранспозон присутствует только в гонококковых геномах и ГПГ произошел после дивергенции этих близкородственных видов.
К своему удивлению, ученые обнаружили, что среди всех ретротранспозон-положительных штаммов последовательность nL1 была абсолютно консервативной. Метод обратной транскрипции-ПЦР показал, что с обеих цепей генетического элемента в бактерии образуются РНК-транскрипты, т.е. идет синтез белков, кодируемых чужеродной последовательностью ДНК. Т.о., ГПГ привел к тому, что nL1 мог стать новым геном гонококка, выполняющим определенную бактериальную функцию. В таком случае, элемент находится под давлением отбора и это могло бы объяснять его консервативность.
Однако при лабораторном культивировании никаких грубых отличий между nL1-позитивными и негативными штаммами ученые не заметили. В связи с этим, они предположили, что невысокая вариабельность элемента может быть связана не с давлением отбора, а с клональной экспансией, когда ген приобретается предковым штаммом и наследуется штаммами-потомками. Тогда все ретротраспозон-позитивные штаммы должны находиться в тесном родстве друг с другом.
Для проверки этой гипотезы провели мультилокусное секвенирование - типирование последовательностей (MLST, определяет сиквенс-тип штамма и, соответственно, степень родства по уникальному сочетанию аллелей ключевых генов метаболизма) и оценили степень родства четырех «+» штаммов по сравнению с 12 «–» штаммами. Два позитивных штамма имели идентичный MLST-профиль. У них, аллель nL1, судя по всему, был приобретен в результате клональной экспансии. Однако профили двух других штаммов отличались от этого типа и друг от друга. Т.о. у четырех nL1+ штаммов были представлены три разные сиквенс-типа. Это говорило либо о множественности идентичных событий ГПГ, либо, что более вероятно, о том, что ГПГ изначально произошел между человеком и бактерией, а уже потом повторялся между штаммами гонококка.
На основании полученных результатов, ученые сделали вывод, что горизонтальный перенос L1 произошел эволюционно недавно (у ближайших нейсерийных родственников его нет). После переноса L1 стал функциональным бактериальным геном и находится под давлением отбора (консервативен и, при этом, в большинстве случаев не передавался путем клональной экспансии).
Механизм, с помощью которого произошел ГПГ, как отмечают ученые, является предметом дискуссий. N. gonorhoeae часто является внутриклеточным паразитом, обнаруживаемым в нейтрофилах и эпителиальных клетках. Т.о., существует много потенциальных возможностей для передачи ДНК от хозяина. Однако репертуар молекулярных механизмов, с помощью которых это событие могло бы произойти ограничен. Прямые взаимодействия с хозяйской ДНК маловероятны. В связи с этим, возможным сценарием ГПГ могло быть внедрение ДНК человека после предварительной деградации хромосом в результате апоптоза или некроза. Ученые считают, что ГПГ произошел после деградации хромосомной ДНК человека, трансформации L1 в бактерию и негомологичного связывания концов ДНК (NHEJ, non-homologous end joining – соединение негомологичных участков ДНК после одновременных двуцепочечных разрывов в каждом из них) в сайте вставки генома нейсерии. Хотя у N. gonorhoeae нет необходимого для NHEJ молекулярного аппарата, как у других бактерий, внедрение экзогенной ДНК (ГТГ) могло произойти одним из альтернативных путей NHEJ, существование которых было недавно показано.
Как бы то ни было, теперь понятно, что ГПГ между человеком и его микробиотой возможен. И он должен существенно влиять на их коэволюцию.
Источник: Mark T. Anderson and H. Steven Seifert. Opportunity and Means: Horizontal Gene Transfer from the Human Host to a Bacterial Pathogen. mBio 2(1):e00005-11. 15 February 2011 doi: 10.1128/mBio.00005-11
категория - 2
Особенно после долгого обучения дарвинизьму при отсутствии возможностей руками работать полезно.