Поверх бар'єрів

Автори недавнього (і, на думку фахівців, досить поганого) огляду про ГМО-їжу згадали стару страшилку, що полягає в тому, що фрагменти ДНК з їжі, яку ми вживаємо, можуть потрапляти в клітини людини або мікроорганізмів, що населяють її, і впливати на експресію генів господаря або навіть вбудовуватися в геном. Подібних прикладів сучасна наука не знає, але взагалі випадки горизонтального перенесення генів - потрапляння в організм фрагментів ДНК не від батьків, а ззовні, з навколишнього середовища, вченим відомі, і багато з них описані досить добре. Ми вирішили розібратися в цьому питанні.

Незважаючи на те, що хребетні тварини їдять ДНК-що містить їжу мільйони років, свідчень того, що з'їдені гени якось впливають на власний геном, вчені поки не знайшли. Тим не менш, отримати ДНК не від батьків, а звідкись ззовні можливо - цей феномен називається горизонтальним перенесенням генів. З початком ери масового секвенування геномів і біоінформатики стало зрозуміло, що горизонтальне перенесення відіграло значну роль в еволюції як прокаріот (бактерій і архей), так і вищих еукаріот, наприклад, рослин.

Тим не менш, отримати чужу ДНК не так-то просто, а наявність і кількість, наприклад, бактеріальної ДНК в геномі людини досі залишається дискусійним питанням.

Без ядра

Для того щоб у геномі з'явився новий елемент, необхідно, щоб нова ДНК потрапила в клітку і вбудувалася в хромосому. Логічно, що найпростіше виконати ці умови, якщо організм одноклітинний і у нього немає додаткової ядерної оболонки, що захищає геном. Очевидно, прокаріоти (бактерії та археї) дійсно користуються горизонтальним перенесенням дуже активно - для них це ще й аналог статевого процесу, що дозволяє внести різноманітність в генетичну інформацію, поряд з випадковим мутагенезом.

Свідчення того, що бактерії можуть отримувати нові ознаки прямо з середовища, було знайдено ще до прочитання першого геному і навіть до відкриття того факту, що ДНК є носієм інформації. У 1928 році Фредерік Гріффіт виявив, що небезпечний штам пневмонійного стрептокока після інкубації з останками вбитого вірулентного штаму також набуває здатності заражати мишей. Пізніше стало зрозуміло, що досліджуваний штам захоплював із середовища ДНК вірулентного «родича» в процесі натуральної трансформації.

У нормі великі молекули ДНК не можуть пройти через бактеріальну клітинну стінку і мембрану, проте багато видів бактерій здатні входити в так званий стан компетентності, коли під дією спеціальних білків молекули «затягуються» всередину клітини, попередньо зв'язавшись з рецепторами ДНК. Клітини стають компетентними тільки в особливих умовах, пов'язаних, наприклад, з лімітуванням ресурсів, яке відбувається, коли культура досягає критичної щільності, або при пошкодженні ДНК.

У лабораторії властивість компетентності використовують для того, щоб штучно доставляти ДНК в бактеріальні клітини, а в природі до розвитку компетентності та натуральної трансформації здатні як мінімум кілька десятків видів бактерій, серед яких безліч патогенних. Як у випадку з дослідами Гріффіта, зовнішнім джерелом ДНК можуть бути загиблі клітини, крім того, деякі бактерії виділяють її назовні навмисно, з використанням систем секреції.

Крім трансформації, бактерії здатні обмінюватися ДНК шляхом кон'югації. Цей спеціалізований процес передачі ДНК між клітинами при безпосередньому контакті був відкритий на кишковій паличці в середині XX століття. Щоб передати ДНК, клітини кишкової палички повинні містити невелику кільцеву екстрахромосомну молекулу ДНК - плазміду, яка містить гени, необхідні для кон'югації, і яка, власне, і передається.

Кон'югація здійснюється з утворенням статевих пилів - білкових трубочок, за допомогою яких встановлюється фізичний контакт. Крім кишкової палички, процес був знайдений і у безлічі інших бактерій. Крім генів, необхідних для власного розповсюдження, кон'югативна плазміда може містити гени інших корисних ознак, підтримуваних відбором, наприклад, стійкості до антибіотиків.

Ще один поширений механізм передачі генів шляхом горизонтального перенесення - трансдукція, процес передачі ДНК за допомогою вірусів - бактеріофагів. При формуванні вірусних частинок фаг захоплює частину господарської ДНК і при зараженні інших клітин може передати їм чужі гени.

Крім найвідоміших трьох перерахованих механізмів, останнім часом були відкриті менш поширені агенти генетичного перенесення (GTA - gene transfer agents), які є білковими «посилками», що містять невеликі випадкові послідовності господарської ДНК. Крім того, у архей був виявлений процес обміну генетичною інформацією шляхом злиття мембран двох клітин в декількох місцях і утворення міжклітинних містків.

Вбудувати в геном можна не будь-яку ДНК - в загальному випадку отриманий фрагмент просто зруйнується внутрішньоклітинними ферментами - нуклеазами і рестриктазами, які захищають клітку від вторгнення. Обмін генами відбувається частіше між близькоспорідненими штаммами, у яких великий відсоток схожих послідовностей. У такому разі новий фрагмент ДНК може вбудуватися в геном за механізмом гомологічної рекомбінації, для якої необхідна наявність однакових або близьких за складом нуклеотидних послідовностей.

В інших випадках ДНК може передаватися у складі мобільних елементів і плазмід. Ці елементи представляють собою шматочки «егоїстичної ДНК», яка містить послідовності, необхідні для власного копіювання та вбудовування. Такі шматочки можуть вбудовуватися в геном за допомогою сайт-специфічної рекомбінації, для якої необхідна певна, іноді дуже коротка послідовність у геномі. Показано, що чим більше в бактеріальному геномі мобільних елементів, тим більше подій горизонтального перенесення було в її історії.

У найрідкісніших випадках ДНК може вбудуватися на хромосому «просто так», шляхом незаконної рекомбінації, однак цей процес пов'язаний з виникненням двозначних розривів, що небезпечно і небажано для клітини. Нарешті, плазміди і віруси можуть існувати в клітці і не вбудовуючись в геном, а у вигляді окремого екстрахромосомного елемента, як у випадку з кон'югативними плазмідами. Мобільні елементи і плазміди дозволяють забезпечити горизонтальне перенесення між віддаленими видами бактерій і навіть між прокаріотами і еукаріотами.

Дивні дерева

Якщо існування горизонтального перенесення було встановлено ще до розшифровки послідовностей геному, то масштаби явища стали зрозумілі тільки з настанням ери секвенування. Спроби побудувати для всіх живих організмів універсальне філогенетичне дерево на підставі послідовностей геномів призвели до ряду філогенетичних конфліктів. Нерідко якісь гени виявляються там, де за логікою еволюційного спадкування, їх бути не повинно. Відсутність гена у предків організму часто наводить дослідників на думку, що він отриманий шляхом горизонтального перенесення.

Розшифровка безлічі еукаріотичних геномів дозволила припустити, що горизонтальне перенесення відіграло важливу роль в еволюції не тільки бактерій, а й одноклітинних еукаріот, зокрема, найпростіших, а також водоростей і вищих рослин, багатьох безхребетних тварин.

У прокаріот механізми доставки нових генів більш-менш вивчені і зрозумілі, але у еукаріот ДНК додатково захищена ядерною мембраною і білками-гістонами. Крім того, якщо мова йде про багатоклітинні організми зі статевим розмноженням, то для того, щоб закріпитися в поколіннях, хромосома з новим елементом повинна потрапити в статеві клітини. Таким чином, на шляху горизонтального перенесення у більш складних організмів, ніж бактерії, стоїть безліч бар'єрів. Тому в його наявність варто вірити тільки при існуванні ймовірного механізму передачі.

Наприклад, встановлено джерело прокаріотичних генів у геномах рослин - це ендосимбіоз. На зорі еволюції рослини «прихистили» у своїх клітинах здатних до фотосинтезу ціанобактерій, які з часом перетворилися на хлоропласти, передавши заодно безліч генів на ядерний геном господаря. Схожа історія трапилася і з предками мітохондрій, які «делегували» частину повноважень господарським еукаріотичним клітинам.

Обмін генетичною інформацією між ядерним геномом і мітохондріальним детектують і в даний час, наприклад, у людини вона іноді спостерігається при злоякісному перетворенні клітин. Відбуватися ця подія може, наприклад, під час мітозу, коли ядерна оболонка руйнується. Як при цьому долається бар'єр мітохондріальної мембрани, не зовсім зрозуміло, швидше за все мітохондрії просто деградують, і мітохондріальна ДНК виходить у цитоплазму.

Біологам відомі і сучасні приклади ендосимбіозу та ендопаразитизму, що супроводжуються горизонтальним перенесенням генів. Наприклад, внутрішньоклітинний симбіонт членистоногих і деяких хробаків-нематод бактерія вольбахія нерідко вбудовує великі шматки свого геному в геном господаря. Ймовірно, це відбувається випадково в процесі репарації ДНК, і великої користі господарям вольбахії від цього немає, оскільки більшість бактеріальних генів при цьому неактивні або перетворюються на псевдогени, тобто незворотно ламаються.

Однак на прикладі інших комах, що спалюють з бактеріями, відомо, що симбіонти можуть допомогти змінити господарю екологічну нішу і уникнути конкуренції за ресурси шляхом «дарування» своїх генів. Кавовий жук - небезпечний шкідник плодів кави - набув здатності розщеплювати кава-специфічні полісахариди і харчуватися ними за рахунок запозичення гена у симбіотичних бактерій. У родичів кавового жука та інших комах такого гена немає.

Крім ендосимбіозу встановленим механізмом передачі генів в еукаріотичні клітини є агротрансформація клітин рослин бактеріями. Саме цей спосіб, запозичений у природі, використовують генні інженери для модифікації рослинних геномів. Агробактерії використовують систему секреції типу IV для введення Ti-плазміди і комплексу спеціальних білків в рослинну клітку. Всередині клітини білки допомагають затягнути плазміду в ядро, де вона інтегрується в геном шляхом незаконної рекомбінації і починає експресувати продукти, необхідні бактеріям. У результаті на рослині утворюються пухлини, відомі як корончаті галли, де агробактерії живуть і розмножуються.

У менш достовірних випадках горизонтального перенесення у еукаріот щодо механізмів можна тільки будувати гіпотези. Наприклад, передбачається, що ген білка-антифриза, який зустрічається в геномах оселедця і азіатської корюшки, з'явився в результаті горизонтального перенесення між видами. У родичів корюшки його немає, а особливості будови гена змушують засумніватися в тому, що він був переданий рибам від бактерій.

Найбільш правдоподібно виглядає гіпотеза про те, що перенесення від одного виду до іншого відбулося разом зі спермою - не в результаті запліднення, але в результаті випадкової рекомбінації з ДНК сперматозоїду. Дослідники вважають, що подібні події ймовірні у тварин, статеві клітини яких контактують з навколишнім середовищем у процесі розмноження, як це відбувається у риб.

Що спільного у бактерій, людини і тихоходки

Описаний випадок свідчить на користь горизонтального перенесення у хребетних тварин, проте деякі дослідники сумніваються в його наявності. Справа в тому, що пошук генів з інших організмів заснований на недосконалих інструментах аналізу даних, які часто помиляються. Крім того, самі послідовності геномів часто зібрані з помилками і сторонніми забрудненнями, серед яких особливо багато бактеріальних.

Докопатися до істини в особливо «скандальних» випадках допомагає викладання даних у відкритий доступ і залучення до аналізу наукової громадськості. Наприклад, недавня робота, присвячена аналізу генома тихоходки - «суперневразливої» безхребетної тварини - показала, що 17 відсотків генів тихоходки запозичили у бактерій та інших еукаріот. Ця величезна цифра привернула увагу критиків, які швидко вирахували, що геном зібраний з великою кількістю сторонніх домішок. У результаті кількість запозичень знизили до 0,5 відсотка.

Професор Вільям Мартін, фахівець з еволюції з університету Дюссельдорфа, тим не менш, сумнівається і в цій цифрі. У своїй критичній статті в журналі він вказує на те, що горизонтальне перенесення стало модною темою, яка спливає там, де появі нібито нових генів є й інші, більш ймовірні пояснення, наприклад редукція геному і втрата частини генів у предкових організмів.

Стівен Зальцберг, директор Центру обчислювальної біології та професор Університету Джонса Хопкінса в США також виступає за більш ретельний аналіз даних у дослідженнях, присвячених горизонтальному перенесенню. Зальцберг «бореться» зі свідченнями горизонтального перенесення в людському геномі - найбільш «гарячою» темою.

Як тільки в 2001 році був викладений перший варіант геному людини, дослідники припустили, що 223 гена людини має бактеріальне походження і отримані шляхом горизонтального перенесення, так як вони не виявлялися в доступних на той момент геномах дріжджів, дрозофіли, нематоди і модельної рослини арабідопсис. Аналіз групи Зальцберга дозволив відсіяти 180 з цих генів, залишивши тільки близько 40 кандидатів.

Тим не менш, у новій роботі 2015 року біоінформатики показали, що понад 150 генів, багато з яких активно експресуються, ймовірно, з'явилися в геномах хребетних і людини з бактерій. Зальцберг знову спростував цю цифру. В обох випадках він показав, що більша частина збігів є наслідком занадто суворого статистичного відбору, що відсіює предкові гени, або помилками масового автоматизованого вирівнювання.

Звичайно, критики не довели, що слідів "свіжого" "бактеріального перенесення в людському геномі зовсім немає, тим більше що з бактеріями ми контактуємо постійно і у величезній кількості, однак принаймні питання про їх кількість залишається відкритим і вимагає якихось експериментальних підтверджень і обговорення результатів в еволюційному контексті.

Література

Soucy, S. M., Huang, J., & Gogarten, J. P. (2015). Horizontal gene transfer: building the web of life // , (8), 472.

Sieber, K. B., Bromley, R. E., & Hotopp, J. C. D. (2017). Lateral gene transfer between prokaryotes and eukaryotes // , (2), 421-426.

Шестаков, С.В. (2007). Як відбувається і чим лімітується горизонтальне перенесення генів у бактерій//, (2).

Martin, W. F. (2017). Too much eukaryote LGT // , (12), 1700115.

Salzberg, S. L., White, O., Peterson, J., & Eisen, J. A. (2001). Microbial genes in the human genome: lateral transfer or gene loss? // , (5523), 1903-1906.