Горизонтальный перенос генов и симбиоз
Дупликация и перестановки участков ДНК одного и того же генома открывают большие эволюционные возможности. Еще больше их дает комбинирование фрагментов разных, неродственных геномов . Обмен генами между неродственными организмами можно уподобить генной дупликации, сильно растянутой во времени. Ведь любые два организма имеют общего предка (а степень их родства определяется тем, как давно он жил). Разделение предкового вида на два в чем-то подобно дупликации: два генома отныне будут эволюционировать независимо друг от друга, приспосабливаясь к разным факторам среды и накапливая разные мутации. Если по прошествии миллионов лет представитель одного из видов-потомков заимствует ген у другого и встроит его в свой геном, где сохранилась другая, иначе изменившаяся копия того же самого предкового гена, это и впрямь напоминает дупликацию с разделением функций.
Разнообразие живых существ очень велико, столь же огромно и разнообразие генетических вариантов. Какие возможности открылись бы перед эволюцией, если бы живые существа научились брать из глобального генетического «банка данных» именно то, что им нужно! Но они этому так и не научились (за исключением Homo sapiens— единственного вида, начавшего осваивать сознательную генную инженерию) и берут, как правило, наугад. Иногда это приводит к успеху, но нечасто. На одну удачную попытку, скорее всего, приходятся миллионы неудачных.
Есть и еще более радикальный способ скомбинировать в одном организме эволюционные достижения давно разошедшихся линий. Это симбиогенез — формирование нового организма путем объединения двух старых.
Оба явления, неродственный ГПГ и симбиогенез, рассмотрены в книге «Рождение сложности». Однако за те пять лет, что прошли с момента ее написания, в этой области были сделаны новые удивительные открытия, о которых нельзя не рассказать.
ВОЙНА СИМБИОНТОВ.
Наездники — большая группа паразитических перепончатокрылых насекомых, откладывающих яйца в тела других насекомых. Личинки наездников пожирают жертву заживо изнутри. В «Рождении сложности» мы упомянули о том, что многие наездники вводят в тела своих жертв помимо яиц еще и особые вирусоподобные частицы, которые помогают личинкам паразита подавить иммунную защиту хозяина. Как выяснилось, гены, управляющие формированием этих частиц, были заимствованы наездниками у настоящего вируса, который 100 млн лет назад встроился в геном их предка ( Bézier et al., 2009).
Но жертвы наездников небеззащитны. Как известно, многие насекомые буквально нашпигованы различными симбиотическими микробами. Симбионты помогают хозяевам решать многие жизненные задачи: от синтеза незаменимых аминокислот и витаминов до переваривания химически чистой целлюлозы, фиксации атмосферного азота и борьбы с сорняками на грибных плантациях муравьев-земледельцев.
В круг задач, выполняемых симбионтами, входит и защита хозяев от наездников. Именно эту роль взяла на себя бактерия Hamiltonella defensa, обитающая в клетках многих насекомых, питающихся растительными соками. Гамильтонелла выделяет вещества, смертельные для личинок наездников: в этом и состоит защита. Бактерия, как и другие внутриклеточные симбионты, наследуется по материнской линии: она проникает в яйца, которые откладывает зараженная самка. Не побрезговали такой микробной защитой и гороховые тли Acyrthosiphon pisum.
Итак, наездники атакуют тлю при помощи симбиотических вирусов, а та защищается симбиотическими бактериями. Однако детальные исследования показали, что в действительности все еще интереснее. Как выяснилось, защиту обеспечивают не любые гамильтонеллы, а только те, в чей геном встроился вирус-бактериофаг APSE ( A. pisumsecondary endosymbiont). В геноме этого вируса содержатся гены токсичных белков. Именно эти токсины, закодированные в вирусном геноме, используются симбиотическим комплексом «тля — бактерия — вирус» для борьбы с общим врагом — личинками наездника ( Oliver et al., 2009). Насекомые ведут друг с другом настоящую вирусологическую войну!
Содержание в своем теле защитных симбионтов не является бесплатным удовольствием ни для тлей, ни для бактерий. При выращивании в лаборатории в отсутствие наездников тли, не зараженные гамильтонеллой, размножаются успешнее зараженных. Это значит, что признак «наличие симбионта» является вредным и отбор его постепенно отбраковывает. Со временем популяция тлей может полностью освободиться от бактерии. То же самое происходит и в паре «бактерия — вирус»: оказалось, что гамильтонеллы в лабораторных линиях освобождаются от вируса за 3–4 года. Разумеется, ситуация меняется на обратную, если тли регулярно подвергаются нападению наездников. В этом случае отбор благоприятствует как распространению гамильтонеллы в популяции тлей, так и распространению вируса APSE в популяции гамильтонелл.
Исследование еще раз показало, что бактерии могут быстро приобретать новые полезные свойства с помощью вирусов. Это может иметь далеко идущие последствия — особенно если бактерия вовлечена в тесные взаимоотношения с другими организмами. Не исключено, что та поразительная скорость, с которой насекомые приспосабливаются к новым условиям (например, к новым кормовым растениям или ядам), отчасти объясняется деятельностью фагов, проводящих генно-инженерные эксперименты на бактериях — симбионтах насекомых.
СИМБИОНТЫ ПЕРЕКРАШИВАЮТ ХОЗЯЕВ В ЗЕЛЕНЫЙ ЦВЕТ.
Многие фенотипические признаки насекомых определяются не генами самого насекомого, а генами живущих в нем микробов. Это заставляет рассматривать насекомых (и многих других животных) как симбиотические «сверхорганизмы». Недавно выяснилось, что даже окраска насекомого может определяться симбионтами! В отличие от американских хомячков, которым для изменения окраски нужно дожидаться мутаций в собственном гене Agouti(см. главу 2), некоторым насекомым для этого достаточно заразиться подходящей бактерией.
Гороховая тля, подобно многим своим шестиногим сородичам, нашпигована разнообразными симбионтами. С гамильтонеллой, которая в содружестве с вирусом APSE защищает тлю от наездников, мы уже познакомились. Похожие услуги может оказывать тлям и бактерия Serratia. Другой симбионт, без которого тля и вовсе не может существовать, — бактерия Buchnera. Она синтезирует для хозяина питательные вещества, отсутствующие в его пище — растительном соке, а также влияет на способность насекомого приспосабливаться к колебаниям температуры. Исследование японских и французских биологов добавило к этому списку еще одну симбиотическую бактерию, которая до сих пор оставалась незамеченной. Новооткрытый симбионт заставляет тлей, красных от рождения, зеленеть с возрастом ( Tsuchida et al., 2010).
В природе встречаются как зеленые, так и красные гороховые тли. Окраска для тлей — не просто украшение, от нее зависит судьба насекомого. Божьи коровки преимущественно охотятся на красных тлей, а наездники чаще нападают на зеленых. Вероятно, совместное влияние этих двух главных врагов тлей приводит к тому, что в популяциях жертв поддерживается полиморфизм (разнообразие) по окраске. Было известно, что окраска определяется генетически, причем красный цвет доминирует над зеленым. Кроме того, недавно выяснилось, что гены, необходимые для синтеза красных пигментов (каротиноидов), тли позаимствовали у грибов — для животных это один из немногих доказанных случаев «удачных», т. е. приведших к появлению новых полезных признаков, генетических заимствований ( Moran, Jarvik, 2010).
Изучая природные популяции тлей, обитающих во Франции, ученые заметили, что из яиц, отложенных некоторыми зелеными особями, вылупляются красные нимфы (личинки). По мере роста такие насекомые постепенно зеленеют.
Авторы изучили симбиотическую микробиоту необычных насекомых и обнаружили неизвестную ранее бактерию из рода Ricketsiella. Близкие родственники риккетсиеллы, Legionellaи Coxiella, вызывают опасные болезни у человека.
Ученые решили проверить, не связана ли странная, меняющаяся с возрастом окраска тлей с бактериальными симбионтами. Для этого они «вылечивали» тлей по очереди от каждого симбионта — от гамильтонелл, серраций и риккетсиелл. Затем тлям, зараженным только бухнерой, впрыскивали гемолимфу «зеленеющих» тлей. После этой процедуры часть потомства тлей оказывалась заражена риккетсиеллой. Незараженные особи сохранили свою природную окраску, тогда как все зараженные красные тли с возрастом позеленели. Если тля была зеленой от рождения, риккетсиелла не влияла на ее окраску. У позеленевших тлей удалось обнаружить положительную корреляцию между интенсивностью зеленой окраски и количеством риккетсиелл в организме. Таким образом, зеленая окраска у некоторых тлей определяется не ее собственными генами, а наличием симбиотической бактерии Rickettsiella.
Окраска тли зависит от двух групп пигментов: красных каротиноидов и зеленых полициклических хинонов. Оказалось, что риккетсиелла не влияет на количество производимых тлей красных пигментов, но увеличивает количество зеленых. Этим объясняется блеклый оттенок насекомых, позеленевших под влиянием риккетсиеллы. Он заметно отличается от яркозеленой окраски тлей, не имеющих каротиноидов и потому зеленых от рождения. В первом случае имеет место смешение красных пигментов с зелеными, во втором красные пигменты изначально отсутствуют.
Дальнейшие исследования покажут, какую роль в жизни тлей играют изменения окраски под воздействием бактерий. Не исключено, что риккетсиелла помогает тлям защищаться от божьих коровок, которые, как мы помним, чаще нападают на красных тлей. Однако зеленые тли чаще становятся жертвами наездников. Может быть, не случаен тот факт, что среди тлей, зараженных риккетсиеллой, с повышенной частотой встречаются особи, зараженные также гамильтонеллой или серрацией. Ведь обе эти бактерии защищают тлю от наездников.
—————
Заимствованный ген позволил бактерии вступить в симбиоз с кальмаром
Не все многоклеточные, подобно тлям, получают необходимых симбионтов по наследству от родителей. Многие должны сами найти их в окружающей среде. Учитывая огромное разнообразие микроорганизмов, легко понять, что в такой ситуации первостепенное значение приобретает взаимное узнаваниесимбионта и хозяина. Как они находят друг друга? Что позволяет им не ошибиться в выборе напарника?
Аналогичный вопрос встает и в отношении паразитических бактерий, у которых порой очень близкие формы паразитируют на разных хозяевах. Например, одна из разновидностей бактерии Salmonella entericaзаражает только людей, а другая имеет широкий круг хозяев — от приматов до грызунов. При этом геномы обеих разновидностей чрезвычайно похожи друг на друга. Попытки найти в их геномах то ключевое различие, от которого зависит выбор хозяина, пока не увенчались успехом. Несколько лучше обстоит дело с изучением симбиотических систем, в которых оба участника (а не только бактерия) заинтересованы в точном узнавании партнера. Например, расшифрован механизм узнавания в симбиотической ассоциации растений с азотфиксирующими бактериями ( Проворов, Долгих, 2006). В этом случае ключевую роль играют выделяемые бактериями вещества, влияющие на работу генов в клетках корня растения-хозяина.
Недавно удалось расшифровать механизм выбора партнера еще у одной пары симбионтов — тихоокеанского кальмара Euprymna scolopesи светящейся бактерии Vibrio fischeri. Бактерии живут в особом «светящемся органе» кальмара, который расположен на нижней стороне тела в мантийной полости. Самое интересное, что бактерии V. fischeriдружат не только с кальмарами, но и с рыбой Monocentris japonica, у которой на нижней челюсти имеются две яркие «фары». Они помогают рыбе охотиться в темноте.
Американские биологи нашли бактериальный ген (его условное обозначение — rscS), играющий ключевую роль в содружестве бактерий с кальмарами ( Mandel et al., 2009). Ген rscSкодирует белок-рецептор, который располагается на клеточной мембране, реагирует на какие-то внешние сигналы и передает их внутрь клетки, активизируя другой белок — транскрипционный фактор SypG.
В свою очередь SypG стимулирует активность группы генов, которые кодируют белки, необходимые для синтеза особых полисахаридов, которые выводятся из бактериальной клетки и располагаются на ее наружной поверхности. От этих полисахаридов зависит способность бактерий размножаться в слизи, выделяемой кальмаром.
Чтобы проверить способность разных штаммов V. fischeriвступать в симбиоз с кальмарами, исследователи выводили маленьких кальмарчиков в стерилизованной воде, а затем обмывали их растворами, содержащими разные штаммы светящегося микроба. Было проверено в общей сложности 12 «кальмарных» и 10 «рыбных» линий. Как и следовало ожидать, все кальмарные линии успешно прижились в кальмарах (кальмары вскоре стали светиться), тогда как из «рыбных» линий это сумела сделать только одна. Затем все линии были проверены на наличие гена rscS. Оказалось, что у этого гена есть два аллельных варианта ( rscS Aи rscS B), причем только аллель rscS Aпозволяет бактерии вступить в симбиоз с кальмаром. Именно этот вариант гена присутствует у всех «кальмарных» штаммов и у того «рыбного» штамма, который сумел наладить отношения с кальмаром. У остальных рыбных штаммов либо присутствует второй вариант гена ( rscS B), либо ген вовсе отсутствует. Дополнительные генно-инженерные опыты подтвердили, что наличие аллеля rscS Aу V. fischeriявляется необходимым и достаточным условием симбиоза с кальмарами.
На основе сравнения нуклеотидных последовательностей трех других генов исследователи построили эволюционное дерево изученных штаммов микроба. Судя по этому дереву, изначально V. fischeriне имел гена rscSи жил в симбиозе только с рыбами. Затем один из штаммов микроба приобрел этот ген. Все штаммы, имеющие ген rscS, образуют на дереве монофилетическую (происходящую от одного предка) группу. Это означает, что ген был приобретен только один раз. Сначала он существовал в единственном варианте — rscS A. Некоторые из потомков того микроба, который впервые обзавелся новым геном, покинули своих прежних хозяев — рыб — и перешли к симбиозу с кальмарами. Впоследствии кое-кто из них вернулся к симбиозу с рыбами, причем это возвращение сопровождалось изменениями в гене rscS. Так появился второй вариант этого гена — rscS B , который, возможно, улучшает «взаимопонимание» между микробами и рыбами, хотя проверить это пока не удалось.
Откуда же взялся у светящихся бактерий новый ген rscS? Теоретически он мог быть приобретен либо путем дупликации с последующим приобретением новой функции, либо путем горизонтального генетического переноса. Второй вариант вероятнее, потому что в геноме светящегося микроба нет других генов, сколько-нибудь похожих на rscS. У какого организма был заимствован ген, пока неизвестно: разнообразие морских микробов огромно и фактически только начинает изучаться.
Авторы отмечают, что это первый известный случай, когда главным «действующим лицом» во взаимном узнавании симбионтов оказался регуляторный ген. Как говорилось выше, этот ген запускает синтез специфических полисахаридов в ответ на какие-то внешние сигналы. Скорее всего, в роли этих сигналов выступают вещества, выделяемые кальмаром. Сама же система синтеза полисахаридов имелась у микробов задолго до приобретения гена rscS. Не исключено, что у «рыбных» штаммов она включается в ответ на вещества, выделяемые рыбами, но это еще предстоит проверить.
—————
