Геномы человека и бактерий имеют больше общего, чем мы думали (Часть 1)

Прежде чем мы поняли, что ДНК - это генетический код, ученые знали, что бактерии обмениваются информацией между клетками. В 1928 году, за 25 лет до того, как была расшифрована структура ДНК, британский бактериолог Фредерик Гриффит продемонстрировал, что живые, невирулентные бактерии могут трансформироваться в вирулентные микробы после инкубации с термически убитым вирулентным штаммом.

Пятнадцать лет спустя трое ученых из Института медицинских исследований Рокфеллера (ныне Университет Рокфеллера), Освальд Эйвери, Колин Маклауд и Маклин Маккарти продемонстрировали, что эта трансформация была под контролем ДНК. Даже мертвые бактерии, казалось, могли делиться своими генами.

Этот процесс разделения ДНК, известный как горизонтальный или латеральный перенос генов (ЛПГ), теперь понимается как прямое перемещение ДНК между двумя организмами.

• Почти все бактериальные геномы демонстрируют доказательства прошлых событий ЛПГ, и это явление, как известно, оказывает глубокое влияние на микробную биологию, от распространения генов устойчивости к антибиотикам до создания новых путей для деградирующих химических веществ.

• Но горизонтальный перенос не ограничивается бактериями. Ученые теперь признают, что микробы передают ДНК растениям, грибам и животным, которых они заражают или в которых проживают, и, наоборот, в бактериальных геномах были обнаружены длинные перемежающиеся элементы (линии) человека.

• Кроме того, исследователи доказали эффект горизонтального переноса генов от грибов к насекомым и от водорослей к морским слизням. Есть основания полагать, что любые две основные группы организмов, включая людей, могут обмениваться своими генетическими кодами.

Люди уже давно заинтригованы перспективой наличия чужеродной ДНК в наших собственных геномах.

В генах человека содержатся данные о полезных ЛПГ от бактерий в недавнем прошлом, и есть доказательства того, что передача может происходить регулярно между чужеродными бактериями и соматическими клетками организма. Как часто происходит перенос генов бактерий животных, неясно, как и механизмы этих передач. Но если они вызывают вредные мутации, они могут быть непризнанной причиной болезней.

Бактерии - это беспорядочная связка генов. У них отсутствует половое размножение, при этом, они являются одними из самых генетически разнообразных видов, потому что постоянно обмениваются участками своего генетического кода через ЛПГ.

• Их разнообразие позволило им адаптироваться ко всем экологическим нишам на планете, от глубоководных гидротермальных источников до замерзших озер Антарктиды, от расщелин скал до нашего кишечника.

• Латеральный перенос генов между бактериями и выполняет преобразование свободной ДНК (генетический материал выбрасывается в окружающую среду бактериями и поглощается живыми микроорганизмами, как в эксперименте Гриффита), трансдукцию вирусов и прямым переносом из клетки в клетку через конъюгацию.

Обмен генами: горизонтальный или латеральный перенос генов (ЛПГ) является частым явлением среди бактерий, и исследования за последнее десятилетие показали, что микробы также могут передавать свою ДНК многоклеточным хозяевам. Одним из наиболее хорошо изученных примеров ЛПГ между микробом и животным является перенос ДНК от внутриклеточного эндосимбионта Wolbachia к его хозяину-дрозофиле.

Механизмы латерального перехода от бактерий к другим организмам менее ясны, но, вероятно, схожи.

Секреторная система типа IV под названием T4SS, представляет шприцеподобный белок, который известен способностью вводить различные молекулы от бактерии в клетки хозяина через межклеточные контакты.

• Это важный посредник ЛПГ между агробактериями и растениями в дикой природе, и в лабораториях, где он может быть использован для создания генетически модифицированных культур и даже может осуществлять перенос между почвенными бактериями и клетками человека.

Используя секвенирование всего генома, исследователи обнаружили, что геномы многочисленных насекомых и червей-нематод иногда содержат ДНК микробов, населяющих или заражающих их тела.

• Некоторые виды содержат огромные массивы ДНК бактерии Wolbachia endosymbiont, вплоть до нескольких полных копий генома бактерий.

Эти большие переносы генной информации могут быть почти идентичны последовательности генома эндосимбионта, что позволяет предположить, что они произошли совсем недавно.

Некоторые виды насекомых несут остатки гораздо более старых переносов генов, которые были полезны для видов-реципиентов и были отобраны в течение долгого времени.

• Например, кофейный жук, который является опасным вредителем плодов и зёрен кофейного дерева, благодаря наличию бактериального гена, синтезирующего фермент маннаназу, способен употреблять ягоды кофе. Совмещенные бактериальные гены маннаназы могут быть причиной гибели урожая, вызванной заражением коричневым мраморным щитником.
• А также тли синтезируют свои собственные каротиноиды с использованием генов, переносимых из грибов, для получения яркого внешнего вида, предназначенного для защиты.

Поскольку в литературе появляется все больше примеров ЛПГ среди различных организмов, вполне естественно необходимо сосредоточиться на изучении этого явления в организме человека.

Если это происходит у нас, то как, и если да, то как часто, и каковы последствия?

Продолжение статьи:

• Геномы человека и бактерий имеют больше общего, чем мы думали (Часть 2)