Биологи открыли новый класс мобильных генетических элементов у бактерий

Микробиологи обнаружили у морских бактерий новый класс мобильных генетических элементов — фрагментов ДНК, способных передаваться от одной бактерии к другой. Эти элементы — которые ученые назвали тихепозонами, в честь древнегреческой богини Тихе, — переносят гены, позволяющие им усваивать полезные метаболиты, а также обеспечивающие им защиту от вирусов. Для этого тихепозоны используют набор генов и молекулярных механизмов, позволяющих им с высокой точностью встраиваться в определенные места генома, не нарушая при этом его целостность. Работа опубликована в журнале Cell.

Долгое время в поле зрения микробиологов находилась группа морских цианобактерий из рода Prochlorococcus с чрезвычайно разнообразным набором генов. Такое разнообразие обычно приписывается активному горизонтальному переносу генов, следов которого у Prochlorococcus обнаружено не было, хотя это распространенный способ обмена генетической информацией между бактериями. Он дает бактериям возможность быстро адаптироваться — полученные в результате горизонтального переноса гены могут наделить бактерии резистенстностью к антибиотикам или дать им способность усваивать полезные метаболиты из окружающей среды.

На данный момент ученым известно множество способов передачи генетических элементов между бактериями (которые из-за подвижности принято называть мобильными генетическими элементами). Однако обнаружить следы известных мобильных генетических элементов в геномах Prochlorococcus ученым до сих пор не удавалось.

Исследователи под руководством Томаса Хакля (Thomas Hackl) и Салли Чисхолм (Sallie W. Chisholm) из Массачусетского технологического института решили разобраться в причинах этого несоответствия. Повторив попытку найти в геномах Prochlorococcus следы известных мобильных генетических элементов — и не найдя их, — ученые стали детально анализировать геномы отдельных бактерий.

В результате они нашли участок генома, совпадающий на 99 процентов у двух бактерий из разных филогенетических групп Prochlorococcus, — что служит указателем того, что между этими бактериями произошел горизонтальный перенос генов. Проанализировав этот геномный участок, исследователи обнаружили в нем ген, кодирующий сериновую рекомбиназу (фермент, отвечающий за интеграцию фрагмента ДНК в геном), а также гены, кодирующие транскрипционный регулятор, хеликазу и факторы репликации, отдаленно напоминающие факторы, встречающиеся в других мобильных генетических элементах. Затем ученые стали искать гомологичные последовательности в геномах других бактерий Procholorococcus — и нашли 937 участков, содержащих схожую интегразу вместе с другими генами.

Эти результаты дали авторам повод предположить, что перед ними новая группа ранее неизвестных мобильных генетических элементов. Чтобы подтвердить свою гипотезу, ученые исследовали эволюционное родство генов, входящих в мобильные генетические элементы Procholorococcus. Для этого они использовали все известные последовательности генов, схожих по функционалу с генами Procholorococcus, которые имеются в генетических базах данных, и построили кластеры родства на основе схожести нуклеотидных последовательностей.

Кластерный анализ показал, что мобильные генетические элементы Procholorococcus кардинально отличаются от других известных, что служит еще одним подтверждением тому, что мобильные генетические элементы Procholorococcus составляют отдельный класс. Ученые назвали элементы, входящие в эту группу, тихепозонами — в честь древнегреческой богини удачи Тихе, дочери Океана.

Особое внимание ученые уделили анализу особенностей рекомбиназы тихепозонов, так как эти белки этого семейства значительно различаются между разными видами мобильных генетических элементов. Особенность рекомбиназы тихепозонов — высокая точность, с которой она встраивает фрагмент ДНК в геном, тогда как другие рекомбиназы встраивают фрагменты ДНК неспецифично в случайный участок генома. Кроме того, в отличие от других рекомбиназ, рекомбиназа тихепозонов не нарушает нормальную работу участка генома, куда она встраивает ДНК.

После этого ученые проанализировали гены, которые входят в состав тихепозонов. Оказалось, что они содержат множество метаболически полезных генов: в состав многих тихепозонов входят целые кластеры генов, позволяющие им усваивать натрий, фосфор или железо — которые особенно важны для жизнедеятельности бактерий в океане.

Некоторые тихепозоны также содержат гены, кодирующие вирусные структурные белки и белки, необходимые им для сборки капсида. Бактерии используют этот механизм для защиты от вирусов — при попадании в клетку, вирус активирует эти гены, и их белковые продукты мешают ему нормально функционировать и размножаться.

Наконец, ученые исследовали способы, с помощью которых бактерии обмениваются тихепозонами друг с другом. Первым делом ученые проверили наличие тихепозонов в вирусах, обитающих в океане. Проанализировав метагеномы морских вирусов, они обнаружили множество сателлитных тихепозонов — то есть тихепозонов, не входящих в геном вируса, но находящихся вместе с ним в вирусном капсиде и попадающих в клетку одновременно с вирусным геномом. Кроме того, исследователи обнаружили ножество различных тихепозонов во внеклеточных везикулах, с помощью которых они могут попадать в бактерии-реципиенты.

Таким образом, авторам статьи удалось выявить и описать новый класс мобильных генетических элементов. Тихепозоны содержат множество полезных генов, позволяющих бактериям усваивать метаболиты и защищаться от вирусов, а также — в отличие от большинства других мобильных генетических элементов — они способны с высокой точностью встраиваться в геном клетки-реципиента, не нарушая его корректную работу.

Мы уже рассказывали про горизонтальный перенос генов — и про то, какую пользу он оказывает различным организмам. Так, обмен мобильными генетическими элементами между кишечными бактериями матери и ребенка помог детям лучше усваивать грудное молоко, а салату «айсберг» помог сформировать кочаны.