Эукариотическое приобретение бактериального оперона

ЭУКАРИОТИЧЕСКИЙ ГОРИЗОНТАЛЬНЫЙ ПЕРЕНОС ГЕНОВ БАКТЕРИЙ

Эукариотическое приобретение бактериального оперона

Перед тем, как прочитать об исследовании, рекомендуем вспомнить отрывок из книги известного популяризатора микробиомики, Эда Йонга – «Множества во мне: микробы внутри нас и грандиозный взгляд на жизнь», посвященный "горизонтальному переносу генов" бактерий (очень интересно).

Прим. ред.: Горизонтальный перенос генов - процесс, в котором организм передаёт генетический материал другому организму, не являющемуся его потомком. В отличие от горизонтального, о вертикальном переносе генов говорят, если организм получает генетический материал от своего предка.

  Исследование Университета Висконсин-Мэдисон

Новые исследования показывают, что некоторые дрожжи захватили целый набор генов от бактерий, которые дали им новую способность - извлекать железо из окружающей среды. Это один из самых ярких примеров переноса генов из одной ветви на дереве жизни в другую.

Примечание  редактора: Дрожжи – это группа одноклеточных грибов, утративших мицелиальное строение в связи с переходом к обитанию в жидких и полужидких, богатых органическими веществами субстратах. Объединяет около 1500 видов. Дрожжи относятся к эукариотам (или ядерным), потому что в каждой дрожжевой клетке имеется ядро, ровно как к эукариотам относятся клетки растений и животных (в т.ч. человека). Бактерии же относятся к прокариотам (или доядерным)- одноклеточным живым организмам, не обладающим (в отличие от эукариот) оформленным клеточным ядром…

Кишечник насекомого может показаться негостеприимным местом для поселения, но разнообразные микробы, тем не менее, живут там. В кишечнике идет борьба за питательные вещества, необходимые для выживания среди местных бактерий и грибов - не говоря уже о насекомых. Таким образом, любое преимущество в получении необходимых минералов, таких, как например, железо, дает импульс к развитию. Миллионы лет назад видимо одна дрожжевая клетка получила именно такой импульс.

Эти дрожжи выкачивали множество генов из бактерии, которые дали способность производить молекулы, которые захватывают железо для дрожжевой клетки. С этим вновь обретенным преимуществом эта единственная клетка в конечном итоге разошлась на несколько видов дрожжей, многие из которых сегодня считают кишки насекомых домом.

Эти гены прибыли в виде пакета - семь генов выстроились в одну единицу. Распространенные у бактерий, но редко встречающиеся у грибов, эти пакеты с множеством генов, которые функционируют вместе, известны как опероны (рис.1.). Эти дрожжи всасывают бактериальный оперон, поглощающий железо, - и один из самых ясных случаев передачи генов из бактериального домена таким организмам, как грибы, - т.е. искривление одной ветви на древе жизни, чтобы пожертвовать генетический материал совершенно отдельной ветви.

Рис. 1. Горизонтальное приобретение бактериального оперона

Профессор генетики Университета Висконсин-Мэдисон (University of Wisconsin-Madison) Крис Тодд Хиттингер (Chris Todd Hittinger) и его лаборатория сообщили об этом переносе генов в выпуске журнала Cell, опубликованном в Интернете 21 февраля 2019 г. Работой руководили постдокторский исследователь Яцек Коминек (Jacek Kominek) и аспирант Дрю Деринг (Drew Doering ).

В рамках проекта Y1000+ по секвенированию геномов более 1000 видов дрожжей Яцек Коминек и Дрю Деринг искали гены, которые позволяют производить молекулы, поглощающие железо. Эти гены не были замечены в дрожжах раньше.

«Оказалось, что есть куча видов, которые, кажется, имеют этот бактериальный путь. Наша первая мысль была: это ошибка?» говорит Коминек. «Таким образом, мы начали копать глубже и обнаружили, что гены расположены рядом друг с другом. Они вовлечены в один и тот же процесс. И они произошли от бактерий. Это была неожиданная вещь».

Подобные генетические переносы от прокариотических бактерий к эукариотам, таким как грибы, наблюдались ранее, но не так часто. Они известны как горизонтальные переносы генов, потому что вместо того, чтобы перемещаться вертикально между поколениями, гены перемещаются вбок между неродственными организмами. И некоторые ученые скептически относятся к тому, что эти переносы генов происходят вообще у эукариот - организмов с ядрами, которые, в дополнение к грибам, включают также растения и животных.

Обнаружение семи генов, переданными от бактерий дрожжам в одном событии, было захватывающим для исследователей - это был явный случай междоменного горизонтального переноса генов. Если так, то соответственно, это был не просто один ген, а множество генов, придающих сложную новую черту. И все же этот вид геномного материала, обменивающегося между клетками, может в течение миллионов лет деградировать  до тех пор, пока не перестанет функционировать.

Итак, Деринг спросил, работает ли путь утилизации железа. Он обнаружил, что, действительно, гены все еще активны и способны производить конечный продукт пути. Чтобы проверить, могут ли дрожжи использовать бактериальный путь для удаления железа, он вырастил дрожжи на чашках Петри с красителем, который вспыхивает электрическим синим цветом, когда вокруг железо. Горстка дрожжевых видов высасывала достаточно железа из своих чашек Петри, чтобы превратить синий цвет в оранжевый. Было ясно, что бактериальный путь сохранил свою функцию в дрожжах (см. рис.2).

Рис. 2. Выращивание дрожжей на красителе, который становится синим, если связывается с железом. Дрожжи, которые приобрели от бактерий новую способность всасывать железо, превращают данный краситель в оранжевый, когда впитывают близлежащее железо.

В течение эволюции, по мере того как дрожжи расходились, они сделали оперон, поглощающий железо, своим собственным. Дрожжи добавили контрольные эукариотические элементы ДНК, изменили экспрессию семи генов и даже добавили грибковые гены, которые также в середине оперона участвуют в удалении железа.

«У вас есть как бактериальные, так и эукариотические гены, взаимодействующие вместе, работающие рука об руку», - говорит Коминек. «Это довольно замечательно, я думаю».

Доказательства привели не только к тому, что действительно произошел перенос генов, но и предоставили четкий пример того, как новые гены помогли дрожжам адаптироваться.

«Идея участия эукариот в горизонтальной передаче генетического материала является относительно новой вещью, и все еще есть люди, которые категорически против этого явления», - говорит Деринг. «И это отчасти потому, что нам не хватало этого ясного случая, когда мы работали дома. Поэтому я думаю, что одна из замечательных сторон нашей газеты - это хороший большой рекламный щит на песке, который говорит, что это произошло, и есть все доказательства, подтверждающие данную реальность».

«Я думаю, что после двух десятилетий споров о том, является ли эукариотический горизонтальный перенос генов реальным или нет, надеюсь, это дает один из поводов окончательно поверить в то, о чем говорят нам данные», - сказал Хиттингер.

Источник: Материалы предоставлены университетом Висконсин-Мэдисон .

Статья в журнале: Jacek Kominek, Drew T. Doering, Chris Todd Hittinger et al. Eukaryotic Acquisition of a Bacterial Operon. Cell, 2019