Побег из генома

Наследование ДНК от родителей — не единственный способ передачи генетической информации. Даже в человеческом геноме можно найти участки, доставшиеся предкам людей от совсем других, неродственных видов животных, да и не только животных. Биологи постоянно встречают в геномах разных организмов следы горизонтального переноса генов. В этом процессе участвуют вирусы, но оказалось, что переносчиками могут выступать и другие генетические элементы — если научатся выходить из клетки наружу. А обнаружили этот механизм у круглых червей, которые до сих пор страдают от последствий такого переноса.

Как это бывает у бактерий

В 1928 году британский бактериолог Фредерик Гриффит провел эксперимент: он заражал мышей разными штаммами стрептококка: вирулентными (то есть способным вызвать пневмонию) и невирулентными (то есть безвредным). Когда исследователь вводил животным в кровь невирулентный штамм, они продолжали жить, как ни в чем не бывало. Когда вводил вирулентный — они болели и умирали. Когда Гриффит нагревал вирулентный штамм, прежде чем заразить им мышей, — бактерии погибали, и, соответственно, мыши выживали. После этого Гриффит попробовал ввести мышам два штамма одновременно. Он взял суспензию убитых нагреванием вирулентных стрептококков и смешал их с невирулентным живым штаммом. Мыши, получившие такую смесь, погибли — хотя вызывающие инфекцию бактерии были мертвы.

Гриффит предположил, что штамм Streptococcus pneumoniae, погибший при нагревании, передал неизвестный носитель вирулентности живому невирулентному штамму. И в результате живой штамм также приобрел способность вызывать болезнь. Но что это за фактор вирулентности, долгое время оставалось загадкой. Лишь в 1944 году стало понятно, что это ДНК.

Сейчас примеров горизонтального переноса известно множество, понятны и механизмы, с помощью которых прокариоты обмениваются генами. Бактерии могут, например, передавать их между клетками напрямую (это называют конъюгацией), а могут поглощать кусочки ДНК из внешней среды (это трансформация). Иногда им в этом помогают вирусы: они встраивают свою ДНК в геном клетки, а затем вырезают его обратно, захватывая несколько хозяйских генов. И если такой вирус заражает другую клетку, происходит трансдукция — в клетке оказываются гены не только вируса, но и другой бактерии (подробнее об этих процессах читайте в нашем материале «Поверх барьеров»).

Горизонтальный перенос оказывает огромное влияние на эволюцию прокариот и, например, помогает им обмениваться генами устойчивости к антибиотикам. С эукариотами дело обстоит куда сложнее.

А как у эукариот

Геном эукариот совсем не так лабилен, как у бактерий или архей. Во-первых, он защищен ядерной оболочкой. Во-вторых, у эукариот есть системы защиты от вирусов, которые узнают чужеродный генетический материал, попадающий в клетку, и не позволяют ему встроиться в геном.

Наконец, не очень понятно, как вообще перенос генов может работать у многоклеточных организмов. Если переносчиком служит вирус, то обычно он заражает определенные типы тканей, но никак не весь организм. Поэтому перенос, даже если происходит, затрагивает лишь отдельные клетки, и это не может иметь значимых последствий для организма. А сама вставка — перейти по наследству к следующему поколению.

Чтобы все клетки организма получили вставку, перенос должен произойти внутри зиготы, из которой затем разовьется весь организм, или в клетки зародыша на ранних этапах — а это события маловероятные. Тем не менее, примеры такого переноса известны: биологи находят у десятков животных сотни последовательностей, попавших в клетки извне.

Так, некоторые белки и кодирующие их гены достались млекопитающим от ретровирусов. Самый известный среди них — синцитин. Это белок, благодаря которому клетки млекопитающих могут сливаться друг с другом и образовывать в плаценте сложные многоядерные структуры, синцитии. У ретровирусов же синцитин отвечает за слияние оболочки с мембраной клетки хозяина.

Фермент теломераза, достраивающий концевые участки хромосом, также, возможно, имеет вирусное происхождение. Теломераза синтезирует ДНК на основе молекулы РНК, и то же самое делает обратная транскриптаза — фермент ретровирусов, позволяющий им внедряться в геном хозяина.

Есть и примеры переноса между разными группами животных. Так, в геноме бабочек рода Maculinea содержится множество некодирующих элементов, полученных от представителей другого семейства — Bombycidae, например от тутового шелкопряда. А рыба корюшка получила ген антифризного белка (AFP) от сельди, хотя до сих пор неизвестно, каким путем это могло произойти.

Значит должен существовать какой-то механизм, который позволяет эукариотам обмениваться генами друг с другом. И для этого необходим какой-то переносчик.

Что это может быть

Самые очевидные кандидаты на эту роль — вирусы, которым приходится путешествовать между геномами, чтобы размножаться и распространяться. Не все вирусы напрямую внедряются в геном, но некоторые (например, ретровирусы) к этому способны. Мигрируя из генома в геном, вирусы могут захватывать гены хозяина и передавать их от одного вида другому.

Вирусы — это один из видов мобильных генетических элементов, последовательностей, способных перемещаться внутри генома. Хотя вирусы единственные из них, которые могут выходить из клетки, не одни они могут размножаться внутри нашей ДНК. И ученые подозревают, что участвовать в горизонтальном переносе могут и другие мобильные генетические элементы.

Например транспозоны. ДНК-транспозоны с помощью фермента транспозазы могут вырезать себя и вставлять в другую часть генома — поэтому их называют прыгающими генами. А ретротранспозоны на базе своей ДНК синтезируют молекулу РНК, с которой затем синтезируется новая цепочка ДНК. Таким образом они могут не только распространяться по геному, но и увеличивать свое число. В результате в геноме человека транспозоны составляют около 45 процентов.

Хотя транспозоны и не покидают клетку, они могут воспользоваться вирусом — он может их случайно захватить и перенести другому организму. Судя по всему, это и произошло с тутовым шелкопрядом и бабочками рода Maculinea. Можно представить себе и обратную ситуацию, в которой транспозон, прыгая по геному хозяина, захватит себе часть вирусной ДНК и приобретет способность выйти за пределы клетки. Тогда он мог бы стать самостоятельным переносчиком генов. Однако до сих пор нет подтвержденных примеров такого механизма.

Есть и такие элементы, которые обладают одновременно чертами и вирусов, и транспозонов. Их называют мавериками (от английского «maverick», бродяга) или полинтонами — по двум ключевым белкам, которые они кодируют: ДНК-полимеразе (POLymerase) и интегразе (INTegrase). Маверики могут кодировать до десяти различных белков, в том числе транспозазу. Подобно транспозонам, они прыгают внутри генома, не покидая его; подобно вирусам, они кодируют ДНК-полимеразу и интегразу. Именно с этими элементами встретились австрийские ученые, когда взялись изучать загадочные смерти почвенных червей. И именно на их примере впервые удалось показать, что генетический элемент, отличный от вируса, сам может покинуть геном.

От червя к червю

У круглого червя Caenorhabditis briggsae — родственника известной нематоды C. elegans — в геноме есть система токсин-антитоксин. Ген этой системы кодирует и сам токсин, и родственный ему антитоксин. Как правило, такие системы встречаются только у прокариот. В бактериальной клетке у них есть множество функций: в первую очередь такая система позволяет регулировать численность популяции. Например в условиях голодания часть клеток активирует эту систему, а другая часть — антитоксина не производит и погибает, чтобы остальные могли выжить.

У нематод все работает иначе. У матери-нематоды есть ген msft, который кодирует систему токсин-антитоксин. Если у потомка есть хотя бы одна работающая копия гена, он может произвести и токсин, и антитоксин. Если ген потомку не достался, то ничего из этого он произвести не может. Но организм матери постоянно выделяет токсин, поэтому те из зародышей, кто не унаследовал msft, под действием токсина начинают развиваться медленнее. А это влияет на выживаемость — впоследствии такие черви обычно погибают.

Как и зачем эти бактериальные гены оказались в клетках круглых червей — непонятно. Но австрийские ученые заметили, что в геноме C. briggsae последовательность ДНК, которая кодирует токсин, окружена характерными для мавериков концевыми повторами. И заподозрили, что эта часть генома может путешествовать между разными организмами.

Однако только наличия концевых повторов было недостаточно для однозначных выводов. Исследователи стали искать похожие участки в других геномах. Они просмотрели геномы 107 видов круглых червей и обнаружили, что еще у одной нематоды, C. plicata, есть белок cpli-wosp-2 — токсин, который также вызывает гибель зародышей. Его последовательность совпадает с белком msft у C. briggsae на 97,5 процента.

Эти белки практически одинаковы по аминокислотному составу, хотя нематоды C. briggsae и C. plicata — очень далекие родственники (разница между ними с разницей между человеком и рыбкой данио). А значит, они не могли унаследовать систему токсин-антитоксин от общего предка — тогда она встречалась бы и у других нематод. И едва ли каждая из нематод получила ее независимо от бактерий — белок msft имеет мало общего с бактериальными токсинами.

Получается, система токсин-антитоксин перешла от одного червя к другому путем горизонтального переноса. И главными кандидатами в переносчики стали маверики. Но как это произошло, если маверики, как и транспозоны, не могут покинуть геном?

Маверик в геноме C. briggsae — неполноценный: он потерял интегразу и полимеразу, его узнали только по характерным концевым повторам. Внутри него остался лишь груз: гены msft и транспозазы — фермента, который позволяет ему размножаться внутри генома. То есть фактически маверик превратился в транспозон.

Интереснее дела обстоят в геноме C. plicata. Там маверик полноценный, то есть несет гены интегразы и полимеразы. Более того, оказалось, что он еще и приобрел новые гены, позволяющие ему перемещаться не только внутри генома, но и между клетками.

Один из них, mfus-1, кодирует белок, с помощью которого вирусная частица может присоединиться к клетке хозяина. Похожий белок есть у вируса герпеса — скорее всего, именно от него маверик его и приобрел. Рядом с ним находится ген, кодирующий белки капсида, — видимо, он тоже достался элементу от вируса.

Получается, этот модифицированный маверик имеет полный набор генов, нужных для формирования частицы, похожей на вирус. Такой маверик мог сформировать капсид, выйти во внешнюю среду, заразить другую нематоду и передать ей генетическую информацию. Можно представить себе, как маверик — а с ним и система токсин-антитоксин — перенесся от одного организма к другому, минуя все межвидовые барьеры.

Бродяги и их хозяева

До сих пор конкретный механизм горизонтального переноса был показан всего для нескольких животных, и обычно в нем была задействована целая вирусная частица. Но маверики нематод показали себя на удивление самостоятельными. Если они способны использовать гены других вирусов для перемещения между геномами, то, скорее всего, они участвовали в горизонтальном переносе не только у круглых червей.

Можно ли найти и другие мобильные элементы, которые могут выходить из генома и перемещаться подобно вирусам? Прежде предполагалось, что некоторые вирусы могут утрачивать свою способность к самостоятельному размножению и оставаться запертыми в геноме хозяина. Обратный случай — когда мобильный элемент научился перемещаться между геномами, позаимствовав нужные для это белки у вируса, — стал известен впервые.

Если найдется больше подобных транспортных механизмов, это станет поводом задуматься, насколько значительна роль горизонтального переноса генов в эволюции эукариот. Считается, что в большинстве случаев перенос происходит в «мусорных» областях генома и не оказывает значимого эффекта — и поэтому не так важен с эволюционной точки зрения. Однако есть и обратные примеры — вроде появления антифризов в крови рыб и синцитина у млекопитающих, — и их по мере исследований становится все больше.

Но круглым червям перенос, судя по всему, не пошел на пользу. Нематоды фактически оказались у системы токсин-антитоксин в заложниках. Токсин лишает их части потомства, но избавиться от этого гена они никак не могут, поскольку он наследуется только в паре с антитоксином и особи без него попросту погибнут от токсина матери. Здесь нет никакого эволюционного преимущества — только эгоистичный ген, который воспользовался механизмом горизонтального переноса, а заодно сделал нематод интересной экспериментальной моделью.