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

ДНК бактерий в геноме человека могут вызывать различные заболевания, включая рак желудка и лейкемию.

Степень и значение латерального переноса у позвоночных животных менее ясны, отчасти потому, что меньшее количество их геномов было расшифровано и проанализировано подходящими методами по сравнению с беспозвоночными. Один из видов позвоночных, чей геном был широко изучен,- это наследственный материал человека, дал убедительные доказательства древних событий ЛПГ.

В 2001 году в первом проекте расшифровки последовательности генома человека было предложено выделить 223 области, производных от ЛПГ, отсутствовавших в геномах других видов, которые были изучены в то время.

Некоторые исследователи быстро оспорили это число как завышенное, предполагая что все найденные ЛПГ, более вероятно объясняются с помощью альтернативных механизмов, таких как потеря генов или конвергентная эволюция.

Новый анализ, опубликованный в 2017 году Алистером Криспом из Кембриджского университета и его коллегами, обнаружил более 130 следов возможных событий горизонтального переноса в геноме человека, включая присутствие грибковых гиалуронат-синтетаз, гена жировой массы, связанного с ожирением (FTO), а также гена, ответственного за типы крови (ABO).

• Но большинство, если не все, выявленных явлений переноса предшествуют родам человека и приматов и были идентифицированы потому, что исследователи решили больше не ограничивать результаты ЛПГ, которые присутствуют только у людей, а не у других видов животных.

• Однако, для того, чтобы в ДНК человека появился нечеловеческий ген, ЛПГ должен возникать на стадии образования зародыша, чтобы он мог передаваться будущим поколениям; и он должен приносить некоторую пользу хозяину.

Такие латеральные переносы генов вероятно редки, потому что люди могут не испытывать серьезных изменений при внедрении чужеродных генов для новых функций в нашем геноме, и потому что считается, что наши зародышевые клетки защищены от других организмов и их ДНК.

• Тем не менее, ЛПГ может быть возможным в соматических клетках человека; такие вставные мутации было бы очень трудно обнаружить, не перебирая при этом большого количества клеток человека.

• Появление чужеродных генов в наших клетках может приводить к различным необратимым изменениям, в том числе вызывать заболевания.

Фактически, хотя окончательное доказательство недавнего ЛПГ у людей по-прежнему отсутствует, существуют другие типы передачи ДНК, которые хорошо известны своим отрицательным воздействием на людей.

• Например, вирус папилломы человека (ВПЧ) является причиной 80% до 100% случаев рака шейки матки.

Вирус может проникать в хромосомы клеток шейки матки, и если интеграция является неполной, некоторые белки ВПЧ могут стать нерегулируемыми, что приводит к нарушению апоптоза, увеличению пролиферации клеток и, в конечном счете, рака.

• Аналогично, вирус гепатита B (HBV) вызывает гепатоцеллюлярный рак и, как было установлено, вставляет свою ДНК в зараженные гепатоциты по мере регенерации клеток.

HBV периодически интегрирует свои гены- энхансеры и основные гены в клетки, связанные с раком, что приводит к увеличению роста клеток и выживаемости,- два отличительных признака рака.

Учитывая известный риск таких интеграций, ученые сосредоточились на идентификации ЛПГ бактериальной ДНК в геноме человека.

Исследователи знали, что нужно посмотреть на данные большого количества людей, поэтому полагались на общедоступную информацию о нуклеотидной последовательности из оригинальных государственных и частных проектов генома человека и проекта 1000 геномов.

• "Мы быстро поняли, что если латеральный перенос произойдет в терминально дифференцированной клетке, которая больше не удваивает свою ДНК, она будет существовать только в одной копии, и мы никогда не сможем отличить ее от помех во время секвенирования. Поэтому мы обратились к опухолям. Иными словами, если вставка происходит в клетке - предшественнике опухоли, она должна быть размножена в опухоли и обнаружена многократно" - говорит Алистер Крисп.

• "Мы проанализировали данные последовательности генома из девяти различных типов опухолей из проектов Cancer Genome Atlas и использовали инструменты биоинформатики для идентификации потенциальных интеграций ДНК".

В результатах, опубликованных в 2013 году, ученые обнаружили последовательности у видов Acinetobacter в образцах острой миелоидной лейкемии (AML) и Pseudomonas в образцах аденокарциномы желудка (STAD). В образцах STAD были обнаружены повторяющиеся генные вставки, связанные с раком.

"В обоих образцах рака AML и STAD мы идентифицировали только данные о бактериальных фрагментах 16S и 23S рРНК, внедренных в человеческий геном" - добавил Крисп.

Карстен Зибер, в то время аспирант лаборатории Dunning Hotopp,создал модели интеграции STAD в генах, связанных с раком, и заметил,что эти части генов рРНК содержат вторичные структуры, которые образуют многочисленные стволовые петли, похожие на шпильки для волос.

• Эти включения происходят в 5 ' – нетранслируемой области (5’-UTR) генов,связанных с раком, что означает, что они транскрибируются, но не транслируются, иными словами, информация переписывается, но не преобразуется в соответствующий белок.

Acinobacter baumannii, вероятный возбудитель острой миелоидной лейкемии

• Стволовые петли, предсказанные во вставленных фрагментах генов рРНК, могут изменять вторичные структуры транскриптов, тем самым нарушая транскрипцию и/или трансляцию.

Мы также заметили, что предполагаемые интеграции STAD происходят в G-rich (кодирующих белки) участках генов, связанных с раком, что также может быть важно для регуляции генов.

Ин Сюй в Университете Джорджии также определил события ЛПГ в опухолях человека.

• Его команда искала данные генетического материала бактерии Helicobacter pylori и вируса Эпштейна-Барр, оба из которых были связаны с раком желудка.

• Исследователи определили интеграцию H. pylori в 36 генах из образцов желудка, с большим количеством горизонтального переноса генов, присутствующих в опухолях по сравнению с контрольными данными.

• Хроническая инфекция H. pylori может вызывать разрывы двухцепочечной ДНК, и человеческие клетки могут “лечить” эти двухцепочечные разрывы, вставляя кусочки паразитной ДНК. Часто это происходит при помощи ядерной или митохондриальной ДНК, но, если присутствует бактериальная ДНК, включая ДНК H. pylori, она может быть интегрирована в наш геном.

• Таким образом, эти генные вставки могут быть побочным эффектом, а не причиной рака. Неясно, как бактериальная ДНК уклоняется от иммунной системы человека, которая распознает большинство форм нуклеиновых кислот.Но эти исследования показывают, что события ЛПГ могут и происходят в тканях человека, возможно, с разрушительными последствиями.

• Пока это только выявленные случаи интеграций бактериальной ДНК в опухолях человека. Вызывают ли такие события рак, и если да, то как часто, еще предстоит выяснить.

Ряд проблем стоит перед исследователями, которые надеются оценить присутствие и влияние внедрения бактериальных ДНК в геномах клеток человека.

Тщательное изучение такого рода по-прежнему дорого, и после того, как образцы были секвенированы, требуются значительные ресурсы для разработки, реализации и запуска вычислительного инструмента для идентификации ЛПГ.

• Загрязнение генного материала также остается барьером. Этот вопрос рассматривался при анализе генома человека в 2001 году, и он продолжает оставаться проблемой и сегодня.

• Было показано, что выделенный набор ДНК содержит бактериальные нуклеиновые кислоты. Загрязняющие вещества также могут быть введены во время обработки образца, из реагентов, и во время секвенирования.

В процессе создания базы данных ДНК могут образовываться химеры, которые выглядят как бактериальные интеграции дезоксирибонуклеиновой кислоты. Разумеется, в начале этого года исследователи обнаружили, что степень латерального переноса в геноме тихоходок изначально была переоценена; некоторые из предложенных ЛПГ, вероятно, возникли из геномов бактерий, а не из самого генома животного.

Несмотря на скептицизм со стороны некоторых кругов научного сообщества и трудности изучения интеграции ДНК бактерий, мы считаем, что ЛПГ являются важной формой инсерционного мутагенеза (инактивации генов). Возможно, теперь, когда предполагаемые бактериальные интеграции ДНК были обнаружены при раке, больше исследователей будут искать эти мутации при других заболеваниях.

• Например, внедрение бактериальной ДНК, которая происходит в клетке человека и приводит к экспрессии бактериального соединения, распознаваемого иммунной системой человека, может потенциально вызывать аутоиммунное заболевание.

Дальнейшие исследования возникновения и последствий латерального переноса в клетках человека, скорее всего, покажут, что это явление является гораздо более распространенным и важным, чем кажется на данный момент.

Начало статьи:

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