Горизонтальный перенос генов

Агробактерия сейчас широко используется для создания трансгенных  растений. Так что это не человеческое изобретение, мы научились этому  у природы и пользуемся природными технологиями.

 

 

Интересные  факты о горизонтальной передаче генов

Прокариоты

Пересадка генома

Сотрудники институт Крейга Вентера  экспериментально показали, что у  прокариот в принципе возможен обмен  целыми геномами, что может приводить  к превращению одного вида бактерий в другой.

Этот институт работает над созданием  искусственных микробов. Например, планируется создание микробов, которые  будут производить дешевое топливо. Работы ведутся в с бактериями рода Mycoplasma. Одна из важных задач проекта – это научиться вставлять целый геном в живую бактерию, полностью заменив при этом ее собственный геном.

До сих пор это не удавалось  сделать. Но вот в июне 2007 г Крейг  Вентер и его коллеги сообщили о первой успешной пересадке целого генома от одного вида бактерий другому. Сделано было следующее. Выделили геном  из бактерии Mycoplasma mycoides, которая вызывает пневмонию у коров. Геном был очищен от всех примесей и добавлен в культуру бактерий Mycoplasma capricolum, возбудителей козьего полиартрита. В донорский геном были предварительно внесены в качестве меток гены устойчивости к антибиотикам. Эти два вида микоплазм довольно близкие, разошлись они несколько десятков миллионов лет назад, может быть, тогда же, когда разошлись их хозяева – коровы и козы. На слайде красным кружком показано положение этих видов на эволюционном древе класса Mollicutes.

Вскоре среди клеток Mycoplasma capricolum появились бактерии с признаками Mycoplasma mycoides. Обработав культуру бактерий антибиотиком, уничтожили тех микробов, которые не вобрали в себя чужую ДНК. Уцелевшие бактерии оказались по всем признакам представителями вида M. mycoides. Один вид бактерий превратился в другой.

По-видимому, бактерии «проглатывали» чужую молекулу ДНК, и сначала  в них содержались оба генома вместе. Когда такая клетка делилась, одна из дочерних клеток получала геном  одного вида, другая – другого.

Этот эксперимент показал, что  в мире прокариот в принципе возможны и такие полногеномные акты горизонтального  переноса. То есть при трансформации  у прокариот в принципе нет  жестких ограничений на размер фрагментов ДНК, получаемых из внешней среды. Могут  передаваться не только маленькие фрагменты, но и большие, и даже целые геномы.

 

 

 

 

 

Отважный странник

Следующая история – это просто интересная илюстрация того, для чего может быть нужен горизонтальный перенос, к каким эволюционым  и экологическим последствиям он может приводить у прокариот. Два года назад в Южной Африке в одном из золотых приисков на глубине 3 км под землей был найден водоносный слой с очень древней водой, а в этой воде уже в нынешнем году обнаружили уникальное микробное сообщество. Уникальность его состоит в том, что все население этой подземной экосистемы представлено одним-единственным видом бактерий.

Бактерия получила название Desulforudis audaxviator. Авторы поясняют смысл видового названия. «Audax viator» — слова из таинственной латинской фразы, указавшей герою повести Жюля Верна путь к центру Земли. В переводе они означают «отважный странник». Предполагается, что микроб совершил свое отважное путешествие в недра Земли и приспособился к жизни в полном одиночестве около 20 млн лет назад.

«Отважный странник» не просто самостоятельно обеспечивает себя всем необходимым. Он вообще не нуждается ни в каких  других живых существах, ни в каких  химических соединениях, производимых другими организмами, ни в солнечном  свете, ни в кислороде. Это полная и абсолютная независимость и  самодостаточность. Такой микроб вполне мог бы жить в недрах других планет, конечно, если там есть вода.

Геном этого микроба был прочтен, и выянилось, что это сульфатредуцирующая  бактерия, родственная известным  ранее сульфатредукторам (Desulfotomaculum). Поскольку микроб в одиночку выполняет все функции, которые должны выполнять живые существа в экосистеме, его геном содержит полный набор средств жизнеобеспечения в экстремальных условиях, включая механизмы для получения энергии, фиксации азота и углерода и синтеза всех необходимых веществ. Но вот что интересно: очень большое число генов, необходимых для выживания в экстремальных условиях, оказались приобретенными путем горизонтального переноса от архей, которые, как известно, являются лучшими экспертами по выживанию в экстремальных условиях. В частности, «отважный странник» заимствовал у архей многие гены, необходимые для сульфатредукции, для фиксации молекулярного азота, для осуществления разных других биохимический функций при высоких температурах (а температура воды там выше 60 градусов). То есть, по-видимому, этому микробу не удалось бы стать таким независимым и самодостаточным, если бы он предварительно не пообщался очень тесно с другими микробами и не позаимствовал у них полезные гены. Путь к независимости через кооперацию.

Этот пример показывает, зачем бывает нужен горизонтальный перенос и к каким эволюционным изменениям он может приводить.

 

 

Гены протеородопсинов – общественное достояние

У некоторых морских планктонных  бактерий были известны белки –  протеородопсины, позволяющие частично утилизировать энергию солнечного света. Это гораздо более простая  система, чем настоящий фотосинтез, хотя и менее эффективная. Но для  ее работы достаточно всего одного или двух генов, поэтому эта система легко может передаваться путем горизонтального переноса. Оказалось, что так оно и происходит. Протеородопсины обнаружены не только у разных групп бактерий в фотической зоне океана, но и у многих архей, тоже живущих в фотической зоне. Причем эти гены у бактерий и архей очень похожи друг на друга, поэтому ясно, что они передаются от одного вида другому. Получается, что эти гены являются неким общим достоянием, коллективной собственностью сообщества прокариот, живущих в фотической зоне океана. Интересно, что родственные виды бактерий и архей, живущие на большей глубине, куда свет не проникает, не имеют генов протеродопсинов.

Это было два новых примера, иллюстрирующих эволюционное и экологическое значение горизонтального переноса у прокариот.

Не менее 80% генов в каждом прокариотическом геноме учавствовали в процессе горизонтального обмена на том или ином этапе эволюции

К 180 прокариотическим геномам были применены новые методы анализа, разработанные для изучения сетевых  структур. Примененная методика позволила  выявить не только недавние события  горизонтального переноса, то есть связи между концевыми ветвями  эволюционного древа, но и древние  события, которые связывают между  собой все узлы эволюционного  древа прокариот.

И вот что получилось. На этом слайде показано базовое филогенетическое древо, основанное на генах рРНК.

А вот то же древо с  нанесенными «связями», отражающими  перенос 20 или более генов. Всего  выявлено 823 случая, когда из одной  точки эволюционного древа прокариот  в другую точку было горизонтально  перенесено 20 или более генов.

 

То же древо, показаны случаи переноса 5 или более генов (3764 случая):

То же древо, показаны случаи переноса 1 или более генов (15127 случаев):

Вот цифры. В первой колонке  – процент генов, приобретенных  путем горизонтального переноса в среднем на геном, если учитывать  только те гены, которые были приобретены  недавно, то есть после последней  дивергенции. Мы видим, что цифры  примерно такие же или немного  больше, чем в первой той таблице. У некоторых групп – намного  больше – например, у дельтапротеобактерий до 34%. Но еще интереснее вторая колонка  цифр. Она показывает процент генов, попавших в данный геном путем  горизонтального переноса за всю  историю данной эволюционной линии. И здесь мы уже видим цифры, доходящие до 98%.

 

 

 

 

 

Не удивительно, что авторы делают вывод о том, что представление  эволюции прокариот в виде ветвящегося  древа уже нельзя считать адекватным. На самом деле это не дерево, а  сеть. Горизонтальный перенос происходит не очень часто, поэтому мы и видим  сравнительно небольшой процент  недавно приобретенных генов. Однако с течением эволюционного времени  кумулятивный, суммарный эффект горизонтального  переноса накапливается как снежный  ком. На этом слайде показана трехмерная реконструкция эволюции прокариот  с учетом горизонтального переноса.

Вот такие поистине глобальные масштабы имеет горизонтальный перенос  в мире прокариот.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Эукариоты

Одноклеточные эукариоты

Эукариотический ядерный  геном является химерным с самого начала. Мы видим в нем смесь  генов архейного и бактериального происхождения, которые объединились на ранних этапах становления эукариотической  клетки. Хорошо известно, что большинство  генов предков митохондрий –  альфапротеобактерий и предков  пластид – цианобактерий –  переместились в ядерный геном  в ходе процесса симбиогенеза.

 

 

 

 

 

 

Эти события, конечно, тоже, следует  классифицировать как акты горизонтального  переноса. И в результате мы имеем  эукариотический ядерный геном, имеющий изначально смешанное происхождение.

Но мы будем говорить о тех  событиях, котрые происходили уже  после становления эукариотической  клетки. У эукариот, в отличие  от прокариот, нет механизма конъюгации, который позволяет передавать свои гены неродственным организмам, вроде  бы нет и прямых аналогов трансформации. Однако эукариоты, особенно одноклеточные, могут тем не менее заимствовать гены у бактерий. И чем больше прочтенных эукариотических геномов, тем яснее это становится.

 

Диатомеи – рекордсмены  по заимствованию бактериальных  генов среди эукариот

Рекордсменом на сегодняшний день является одноклеточная диатомовая водоросль Phaeodactylum, геном которой был прочтен в октябре 2008 года. В геномах диатомей обнаружено много генов, которые были заимствованы у различных прокариот: цианобактерий, протеобактерий, архей и других. В геноме Phaeodactylum обнаружено 587 таких заимствованных генов, что составляет 5,6% от общего числа генов в геноме. Более половины из этих генов (56%) есть также и у центрической диатомеи Thalassiosira. Эти гены, очевидно, были заимствованы диатомеями у прокариот довольно давно — еще до расхождения эволюционных линий центрических и пеннатных диатомей. А диатомеи появились 180 млн лет назад, в юрском периоде – это довольно молодая группа. Остальные 44% прокариотических генов Phaeodactylum, то есть 258 генов, были заимствованы предками Phaeodactylum уже после разделения линий центрических и пеннатных диатомей, то есть в течение последних 90 млн лет. Отсюда можно подсчитать среднюю скорость заимствования: примерно по три гена за миллион лет. Если помните, у кишечной палочки эта скорость примерно такая же.

Какую пользу получают диатомеи от бактериальных  генов? Во-первых, это расширяет их биохимические возможности. В частности, бактериальные гены участвуют в  построении ажурных кремневых раковинок  — главной «визитной карточки»  диатомей, которая во многом обеспечила их эволюционный успех. Диатомеи позаимствовали у бактерий также многие гены рецепторных  и сигнальных белков, при помощи которых бактерии, а теперь и диатомеи, воспринимают сигналы из окружающей среды и реагируют на них. Среди  заимствованных у бактерий рецепторов есть даже несколько светочувствительных  белков, благодаря которым диатомеи могут реагировать на изменения  освещенности.

Вполне возможно, что активный обмен  генами между диатомеями и бактериями был одной из главных причин быстрой  эволюции диатомей и их эволюционного  успеха.

 

Следует упомянуть еще один важный момент, связанный с геномами диатомей. Диатомеи вместе с бурыми и золотистыми  водорослями входят в состав группы Heteroconta. Считается, что гетероконты  появились около 1 млрд лет назад  в результате симбиоза гетеротрофной  эукариотической клетки с одноклеточной  красной водорослью. У красных  водорослей, как и у зеленых  растений, хлоропласты являются первичными, то есть происходят напрямую от симбиотических цианобактерий. Предки гетероконт проглотили одноклеточную красную водоросль  и превратили ее в фотосинтезирующего симбионта. Впоследствии от клетки красной  водоросли почти ничего не осталось, кроме внешней оболочки и хлоропласта. Поэтому хлоропласты гетероконт являются «вторичными», и они окружены не двумя, а четырьмя мембранами. Чтобы  проверить эту теорию, был предпринят поиск в геномах диатомей генов, похожих на гены красных водорослей. Поиск увенчался успехом: выявили  более 170 генов, унаследованных предками диатомей от красных водорослей. Таким  образом, массовый горизонтальный перенос  генов, связанный с симбиогенезом, происходил и после того, как сформировалась эукариотическая клетка.

Случаи горизонтального переноса генов от одних одноклеточных  эукариот к другим, не связанные  с симбиогенезом, встречаются реже. Однако и такие случаи тоже начинают обнаруживаться. В 2008 году в ноябрьском номере Journal of Evolutionary Biology появилось  сообщение о том, что в геноме хоанофлагеллят обнаружено 4 гена, заимствованных у водорослей. Эти гены связаны  с реакцией на стресс. Возможно, они  помогли предкам хоанофлагеллят приспособиться к пресной воде или  сидячему/колониальному образу жизни.

Другой пример: есть данные (Lucia Peixoto and David S. Roos, Department of Biology and Penn Genomics Institute, University of Pennsylvania, Philadelphia, PA, USA http://www.iscbsc.org/scs3/abstracts/pdf/luciap_20070510084733.pdf), что в эволюции эукариот из группы Apicomplexa, куда относятся токсоплазма  и малярийный плазмодий, было не менее 228 случаев горизонтального переноса, в том числе 91 ген был заимствован  у растений в результате опять-таки эндосимбиоза, 14 генов было взято  у бактерий и 95 – у животных.

В целом новые данные говорят  о том, что горизонтальный генетический обмен играет в эволюции одноклеточных  эукариот более важную роль, чем  считалось до сих пор.

Но вот когда мы переходим  от одноклеточных эукариот к многоклеточным, то факты горизонтального переноса сразу становятся гораздо более  редкими. И все-таки такие факты  есть, и, что самое главное, их количество быстро растет.