Поверх барьеров

Поверх барьеров

Что такое горизонтальный перенос генов и насколько он распространен

Авторы недавнего (и, по мнению специалистов, довольно плохого) обзора про ГМО-еду вспомнили старую страшилку, заключающуюся в том, что фрагменты ДНК из пищи, которую мы употребляем, могут попадать в клетки человека или населяющих его микроорганизмов и влиять на экспрессию генов хозяина или даже встраиваться в геном. Подобных примеров современная наука не знает, но вообще случаи горизонтального переноса генов — попадания в организм фрагментов ДНК не от родителей, а извне, из окружающей среды, ученым известны, и многие из них описаны довольно хорошо. Мы решили разобраться в этом вопросе.
 107 •
  0
31.01.2019

Несмотря на то, что позвоночные животные едят ДНК-содержащую еду миллионы лет, свидетельств тому, что съеденные гены как-то влияют на собственный геном, ученые пока не нашли. Тем не менее, получить ДНК не от родителей, а откуда-то извне возможно — этот феномен называется горизонтальным переносом генов. С началом эры массового секвенирования геномов и биоинформатики стало понятно, что горизонтальный перенос сыграл значительную роль в эволюции как прокариот (бактерий и архей), так и высших эукариот, например, растений.

Тем не менее, заполучить чужую ДНК не так-то просто, а наличие и количество, к примеру, бактериальной ДНК в геноме человека до сих пор остается дискуссионным вопросом.

Без ядра

Для того чтобы в геноме появился новый элемент, необходимо, чтобы новая ДНК попала в клетку и встроилась в хромосому. Логично, что проще всего выполнить эти условия, если организм одноклеточный и у него нет дополнительной ядерной оболочки, защищающей геном. По всей видимости, прокариоты (бактерии и археи) действительно пользуются горизонтальным переносом очень активно — для них это еще и аналог полового процесса, позволяющий внести разнообразие в генетическую информацию, наряду со случайным мутагенезом.

Свидетельство того, что бактерии могут получать новые признаки прямо из среды, было найдено еще до прочтения первого генома и даже до открытия того факта, что ДНК является носителем информации. В 1928 году Фредерик Гриффит обнаружил, что неопасный штамм пневмонийного стрептококка после инкубации с останками убитого вирулентного штамма также приобретает способность заражать мышей. Позже стало понятно, что исследуемый штамм захватывал из среды ДНК вирулентного «родственника» в процессе натуральной трансформации.

В норме крупные молекулы ДНК не могут пройти через бактериальную клеточную стенку и мембрану, однако многие виды бактерий способны входить в так называемое состояние компетентности, когда под действием специальных белков молекулы «затаскиваются» внутрь клетки, предварительно связавшись с рецепторами ДНК. Клетки становятся компетентными только в особых условиях, связанных, например, с лимитированием ресурсов, которое происходит, когда культура достигает критической плотности, или при повреждении ДНК.

В лаборатории свойство компетентности используют для того, чтобы искусственно доставлять ДНК в бактериальные клетки, а в природе к развитию компетентности и натуральной трансформации способны как минимум несколько десятков видов бактерий, среди которых множество патогенных. Как в случае с опытами Гриффита, внешним источником ДНК могут быть погибшие клетки, кроме того, некоторые бактерии выделяют ее наружу намеренно, с использованием систем секреции.

Помимо трансформации, бактерии способны обмениваться ДНК путем конъюгации. Этот специализированный процесс передачи ДНК между клетками при непосредственном контакте был открыт на кишечной палочке в середине XX века. Для того чтобы передать ДНК, клетки кишечной палочки должны содержать небольшую кольцевую экстрахромосомную молекулу ДНК — плазмиду, которая содержит гены, необходимые для конъюгации, и которая, собственно, и передается.

Конъюгация осуществляется с образованием половых пилей — белковых трубочек, при помощи которых устанавливается физический контакт. Кроме кишечной палочки, процесс был найден и у множества других бактерий. Помимо генов, необходимых для собственного распространения, конъюгативная плазмида может содержать гены других полезных признаков, поддерживаемых отбором, например, устойчивости к антибиотикам.

Молекулярный механизм передачи F-плазмиды путем конъюгации у бактерий

Еще один распространенный механизм передачи генов путем горизонтального переноса — трансдукция, процесс передачи ДНК при помощи вирусов — бактериофагов. При формировании вирусных частиц фаг захватывает часть хозяйской ДНК и при заражении других клеток может передать им чужие гены.

Кроме самых известных трех перечисленных механизмов, в последнее время были открыты менее распространенные агенты генетического переноса (GTA — gene transfer agents), которые представляют собой белковые «посылки», содержащие небольшие случайные последовательности хозяйской ДНК. Кроме того, у архей был обнаружен процесс обмена генетической информацией путем слияния мембран двух клеток в нескольких местах и образования межклеточных мостиков.

Встроить в геном можно не любую ДНК — в общем случае полученный фрагмент просто разрушится внутриклеточными ферментами — нуклеазами и рестриктазами, которые защищают клетку от вторжения. Обмен генами происходит чаще между близкородственными штаммами, у которых большой процент похожих последовательностей. В таком случае новый фрагмент ДНК может встроиться в геном по механизму гомологичной рекомбинации, для которой необходимо наличие одинаковых или близких по составу нуклеотидных последовательностей.

В других случаях ДНК может передаваться в составе мобильных элементов и плазмид. Эти элементы представляют собой кусочки «эгоистичной ДНК», которая содержит последовательности, необходимые для собственного копирования и встраивания. Такие кусочки могут встраиваться в геном при помощи сайт-специфической рекомбинации, для которой необходима определенная, иногда очень короткая последовательность в геноме. Показано, что чем больше в бактериальном геноме мобильных элементов, тем больше событий горизонтального переноса было в ее истории.

В самых редких случаях ДНК может встроиться на хромосому «просто так», путем незаконной рекомбинации, однако этот процесс сопряжен с возникновением двуцепочечных разрывов, что опасно и нежелательно для клетки. Наконец, плазмиды и вирусы могут существовать в клетке и не встраиваясь в геном, а в виде отдельного экстрахромосомного элемента, как в случае с конъюгативными плазмидами. Мобильные элементы и плазмиды позволяют обеспечить горизонтальный перенос между отдаленными видами бактерий и даже между прокариотами и эукариотами.

Странные деревья

Если существование горизонтального переноса было установлено еще до расшифровки последовательностей генома, то масштабы явления стали понятны только с наступлением эры секвенирования. Попытки построить для всех живых организмов универсальное филогенетическое дерево на основании последовательностей геномов привели к ряду филогенетических конфликтов. Нередко какие-то гены обнаруживаются там, где по логике эволюционного наследования, их быть не должно. Отсутствие гена у предков организма часто наводит исследователей на мысль, что он получен путем горизонтального переноса.

Расшифровка множества эукариотических геномов позволила предположить, что горизонтальный перенос сыграл важную роль в эволюции не только бактерий, но и одноклеточных эукариот, в частности, простейших, а также водорослей и высших растений, многих беспозвоночных животных.

У прокариот механизмы доставки новых генов более или менее изучены и понятны, но у эукариот ДНК дополнительно защищена ядерной мембраной и белками-гистонами. Кроме того, если речь идет о многоклеточных организмах с половым размножением, то для того, чтобы закрепиться в поколениях, хромосома с новым элементом должна попасть в половые клетки. Таким образом, на пути горизонтального переноса у более сложных организмов, нежели бактерии, стоит множество барьеров. Поэтому в его наличие стоит верить только при существовании вероятного механизма передачи.

К примеру, установленный источник прокариотических генов в геномах растений — это эндосимбиоз. На заре эволюции растения «приютили» в своих клетках способных к фотосинтезу цианобактерий, которые со временем превратились в хлоропласты, передав заодно множество генов в ядерный геном хозяина. Похожая история случилась и с предками митохондрий, которые «делегировали» часть полномочий хозяйским эукариотическим клеткам.

Обмен генетической информацией между ядерным геномом и митохондриальным детектируют и в настоящее время, например, у человека он иногда наблюдается при злокачественном преобразовании клеток. Происходить это событие может, например, во время митоза, когда ядерная оболочка разрушается. Как при этом преодолевается барьер митохондриальной мембраны, не совсем понятно, скорее всего митохондрии просто деградируют, и митохондриальная ДНК выходит в цитоплазму.

Биологам известны и современные примеры эндосимбиоза и эндопаразитизма, сопровождающиеся горизонтальным переносом генов. К примеру, внутриклеточный симбионт членистоногих и некоторых червей-нематод бактерия вольбахия нередко встраивает большие куски своего генома в геном хозяина. Вероятно, это происходит случайно в процессе репарации ДНК, и большой пользы хозяевам вольбахии от этого нет, так как большинство бактериальных генов при этом неактивны или превращаются в псевдогены, то есть необратимо ломаются.

Микрофотография вольбахии внутри клетки насекомого

Однако на примере других насекомых, сожительствующих с бактериями, известно, что симбионты могут помочь сменить хозяину экологическую нишу и избежать конкуренции за ресурсы путем «дарения» своих генов. Кофейный жук Hypothenemus hampei — опасный вредитель плодов кофе — приобрел способность расщеплять кофе-специфичные полисахариды и питаться ими за счет заимствования гена HhMAN1 у симбиотических бактерий. У родственников кофейного жука и других насекомых такого гена нет.

Помимо эндосимбиоза установленным механизмом передачи генов в эукариотические клетки является агротрансформация клеток растений бактериями Agrobacterium tumefaciens. Именно этот способ, позаимствованный в природе, используют генные инженеры для модификации растительных геномов. Агробактерии используют систему секреции типа IV для введения Ti-плазмиды и комплекса специальных белков в растительную клетку. Внутри клетки белки помогают затащить плазмиду в ядро, где она интегрируется в геном путем незаконной рекомбинации и начинает экспрессировать продукты, необходимые бактериям. В результате на растении образуются опухоли, известные как корончатые галлы, где агробактерии живут и размножаются.

Результат агробактериальной трансформации кусочков листа дикого картофеля Solanum chacoense

В менее достоверных случаях горизонтального переноса у эукариот насчет механизмов можно только строить гипотезы. К примеру, предполагается, что ген белка-антифриза, который встречается в геномах сельди и азиатской корюшки, появился в результате горизонтального переноса между видами. У родственников корюшки его нет, а особенности строения гена заставляют усомниться в том, что он был передан рыбам от бактерий.

Наиболее правдоподобно выглядит гипотеза о том, что перенос от одного вида к другому произошел вместе со спермой — не в результате оплодототворения, но в результате случайной рекомбинации с ДНК сперматозоида. Исследователи считают, что подобные события вероятны у животных, половые клетки которых контактируют с окружающей средой в процессе размножения, как это происходит у рыб.

Что общего у бактерий, человека и тихоходки

Описанный случай свидетельствует в пользу горизонтального переноса у позвоночных животных, однако некоторые исследователи сомневаются в его наличии. Дело в том, что поиск генов из других организмов основан на несовершенных инструментах анализа данных, которые зачастую ошибаются. Кроме того, сами последовательности геномов зачастую собраны с ошибками и посторонними загрязнениями, среди которых особенно много бактериальных.

Докопаться до истины в особо «скандальных» случаях помогает выкладывание данных в открытый доступ и привлечение к анализу научной общественности. К примеру, недавняя работа, посвященная анализу генома тихоходки — «супернеуязвимого» беспозвоночного животного — показала, что 17 процентов генов тихоходки позаимствовали у бактерий и других эукариот. Эта огромная цифра привлекла внимание критиков, которые быстро вычислили, что геном собран с большим количеством посторонних примесей. В результате количество заимствований понизили до 0,5 процента.

Профессор Уильям Мартин, специалист по эволюции из университета Дюссельдорфа, тем не менее, сомневается и в этой цифре. В своей критической статье в журнале Bioessays он указывает на то, что горизонтальный перенос стал модной темой, которая всплывает там, где появлению якобы новых генов есть и другие, более вероятные объяснения, например редукция генома и утрата части генов у предковых организмов.

Стивен Зальцберг, директор Центра вычислительной биологии и профессор Университета Джонса Хопкинса в США также выступает за более тщательный анализ данных в исследованиях, посвященных горизонтальному переносу. Зальцберг «борется» со свидетельствами горизонтального переноса в человеческом геноме — наиболее «горячей» темой.

Как только в 2001 году был выложен первый вари