Автореферат: Механизмы приобретения и потери генетической информации бактериальными геномами

Аннотация

Приобретение и потеря генетического материала являются существенными событиями в эволюции геномов. Равновесие между этими процессами соблюдается не всегда. В результате происходит экспансия одних геномов и сокращение других. До последнего времени считалось, что редукции подвергаются геномы бактерий, которым свойственен только паразитический или симбиотический стиль существования. Сейчас очевидно, что редукция геномов имеет место не только у патогенных бактерий и эндосимбионтов, но и у свободноживущих непатогенных бактерий.

Естественный отбор представляется сомнительной причиной редукции микробных геномов, поскольку бактерии близкородственных видов, существовавшие в тех же (или очень похожих) условиях не редуцировали свои геномы. В некоторых случаях имело место даже приобретение генетического материала. Таким образом, паразитическое или эндосимбиотическое существование не может считаться основной причиной редукции геномов.

Выдвигается концепция, согласно которой наследование новой последовательности ДНК зависит от нуклеотидной последовательности в сайте-мишени реципиентного генома. Это означает, что предметом отбора является не фенотипический признак, кодируемый донорной ДНК, а новая последовательность ДНК, независимо от её кодирующей способности. Этот тип отбора обозначен как полинуклеотидный (Пн)-выбор. Для наследования новых нуклеотидных последовательностей Пн-отбор является необходимым и достаточным. Однако для потери участков ДНК требуется как Пн- выбор, так и естественный отбор.

Предлагается гипотеза, согласно которой редукция геномов является фазой двунаправленного процесса «пульсации геномов». Предполагается, что после компактизации генома может происходить приобретение генетического материала, приводящее к образованию новых генетических сочетаний. Пульсация генома имеет эволюционный смысл только для очень быстро размножающихся организмов.

Известно, что изменения генетического материала могут происходить как под влиянием внешних факторов, так и в силу внутренних причин. В данной работе будут обсуждаться биологические факторы, способствующие изменению наследственной информации, и не будут рассматриваться абиотические внешние факторы, индуцирующие изменчивость.

Очевидно, что эволюция генов и эволюция геномов -- процессы различные. Предметом данной работы является эволюция бактериальных геномов. При этом основное внимание будет уделено не наследованию и распространению признаков в крупных популяциях, а механизмам первичных процессов приобретения и потери генетического материала индивидуальными геномами.

Согласно современным представлениям первичные эволюционно значимые генетические изменения у бактерий могут быть следующими: 1) мелкие изменения в ДНК за счёт спонтанных или индуцированных точковых мутаций, 2) различные рекомбинационные события, или ошибки репликации (slippage), часто связанные с повторяющимися и мигрирующими генетическими элементами; эти события ведут к внутригеномным перестройкам: транслокациям, делециям, инверсиям и дупликациям, 3) перемещения генетического материала между геномами (приобретение генетического материала), включающие обмен генетической информацией между видами и родами, т.е. горизонтальный перенос, 4) утрата частей генома, называемая редукцией или компактизацией генома. [см. 16, 21].

Общая характеристика работы

1. Потеря и приобретение генетического материала.

Направленность эволюции и размер генома (экспансия или компактизация) зависят от соотношения процессов потери и приобретения генетического материала. В случае преобладания процесса потери генетического материала над процессом его приобретения наблюдается уменьшение размера генома, которое часто называют редуктивной эволюцией.

I.1. Примеры редукции геномов.

До последнего времени считалось, что наиболее яркие примеры редуктивной эволюции связаны с патогенными микроорганизмами или эндосимбионтами [68, 8, 54, 109].

Ниже представлены наиболее демонстративные примеры редуктивной эволюции. В этих примерах приведены данные о микроорганизмах, претерпевших утрату генов и обладающих редуцированными геномами, и их ближайших родственниках, которых этот процесс миновал.

Одним из отличий возбудителя чумы Yersinia pestis от возбудителей кишечных иерсиниозов Yersinia pseudotuberculosis и Yersinia enterocolitica является утрата первым функций определённых генов. При сравнении нуклеотидных последовательностей Y. pseudotuberculosis и Y. pestis установлено, что за время после отщепления от общего (с Y. pseudotuberculosis) предшественника возбудитель чумы Y. pestis приобрёл 32 гена, но утратил функции более 460 генов. На настоящий момент в геноме Y. pestis не работает (делетированные плюс мутантные) около 13% генов, которые функционируют в Y. pseudotuberculosis. При этом за счет инактивации (не утраты генетического материала, а превращения в псевдоген) потеряна функция 208 генов Y.pestis. За период с момента дивергенции в геноме Y. pseudotuberculosis произошло только 8 транспозиционных событий, закреплённых отбором. В то же время, в геноме Y. pestis имела место настоящая экспансия мигрирующих генетических элементов (МГЭ), принадлежащих каждому из присутствующих в геноме семейств МГЭ. Сейчас геном Y. pseudotuberculosis содержит 20 IS-элементов, тогда как геном Y. pestis около 130 [31]. (Табл. 1).

Таким образом, в ходе непродолжительной эволюции Y. pestis наблюдались события трёх видов: а) утрата функций ряда генов при сохранении их генетического материала, б) потеря самих генов (значительно преобладающая над приобретением за счёт горизонтального переноса) и в) активное распространение мигрирующих элементов.

Оценивая объём эволюционных событий, произошедших со времени дивергенции Y.pseudotuberculosis и Y.pestis, не следует забывать, что эта дивергенция началась очень недавно (2000-15000 лет) и всё произошло по меткому выражению Брендана Рена «пока эволюция моргнула»[117].

У возбудителя проказы Mycobacterium leprae, также как и в случае возбудителя чумы, при формировании современного генома имели место редукционные события двух типов: утраты функции генов за счёт их превращения в псевдогены и полной потери определённых сегментов генетического материала, в состав которых входят кодирующие гены. Сравнение проводили с ближайшим генетическим родственником -- возбудителем туберкулёза Mycobacterium tuberculosis. Согласно расчёту, возбудитель проказы в ходе редуктивной эволюции потерял около 2000 генов. [34]. (Табл. 1, Рис. 1а,б).

Рис. 1 a - Размеры геномов Micobacterium leprae и Micobacterium tuberculosis (полный круг -- геном Micobacterium tuberculosis, голубой сектор -- геном Micobacterium leprae, вишнёвый сектор -- разница между геномами)

Рис. 1 б - Белок кодирующие гены Micobacterium leprae и Micobacterium tuberculosis (полный круг -- гены Micobacterium tuberculosis, голубой сектор -- геном Micobacterium leprae, желтый сектор -- разница между геномами).

Утрата значительной части генома в ходе редуктивной эволюции зарегистрирована у возбудителя коклюша Bordetella pertussis [76] Этот возбудитель поражает только людей. Его ближайшими родственниками являются Bordetella parapertussis и Bordetella bronchiseptica. B. parapertussis вызывает заболевание, аналогичное коклюшу, у людей и овец, а B. bronchiseptica часто выделяется от свиней и других млекопитающих и редко от людей.

Сиквенирование геномов представителей этих видов бордетелл показало, что геном B. pertussis существенно меньше (4 086 186 н.п. против 5 338 400 н.п.) генома B. bronchiseptica и содержит на несколько сотен кодирующих генов меньше (Табл. 1). Геном B. pertussis содержит 261 инсерционных элемента, среди которых IS481, IS1002 и IS1663, отсутствующие у B. bronchiseptica, причём IS481 представлен в количестве 238 копий [76, 38].

Нечто похожее наблюдается и у бартонелл. Геном Bartonella quintana, которая поражает только людей, вызывая у них траншейную лихорадку, состоит из 1 581 384 н.п. и содержит 1142 гена, кодирующих белки, тогда как геном ближайшего родственника -- Bartonella henselae, вызывающей болезнь кошачьих царапин, состоит из 1 931 047 н.п. и содержит 1488 белок кодирующих генов (Табл. 1). Геном B. henselae содержит 301 уникальный ген (по сравнению с B. quintana), тогда как геном B. quintana -- только 26 уникальных генов.

Ещё более интересен пример редуктивной эволюции у представителей рода Burkholderia. Сейчас сиквенированы геномы представителей трёх родственных видов: Burkholderia mallei, Burkholderia pseudomallei и Burkholderia thailandensis. B. mallei -- возбудитель сапа, B. pseudomallei -- возбудитель мелиоидоза, а B. thailandensis -- непатогенный сапрофит, обитающий в почве. Данные сравнительной геномики показали, что геномы бактерий этих трёх видов высоко гомологичны, однако, в геномах B. mallei и B. thailandensis отсутствует значительное количество фрагментов, присутствующих в геноме B. pseudomallei. Соответственно, и общее количество генов, и количество генов, кодирующих белки, больше в геноме B. pseudomallei по сравнению с геномами B. mallei и B. thailandensis (Табл.1, Рис.2 а,б). [73, 55].

Рис. 2 а - Размеры геномов Burkholderia mallei и Burkholderia pseudomallei (полный круг -- геном Burkholderia pseudomallei, голубой сектор -- геном Burkholderia mallei, вишнёвый сектор -- разница между геномами)

Рис. 2 б - Белок кодирующие гены Burkholderia mallei и Burkholderia pseudomallei (полный круг -- геном Burkholderia pseudomallei, голубой сектор -- геном Burkholderia mallei, вишнёвый сектор -- разница между геномами)

При этом, в отличие от B. pseudomallei и B. thailandensis, B. mallei содержит в своём геноме большое количество IS-элементов (171 копия), за счёт которых можно отнести перемещение и утрату генов. Аналогичная закономерность наблюдается в случаях Y.pestis и B.pertussis, геномы которых содержат существенно больше мигрирующих элементов, чем их менее вирулентные близкие родственники [31, 76]. Это противоречит утверждению [66], согласно которому мобиильные элементы, повторы и вызываемые ими геномные перестройки более характерны для свободноживущих микроорганизмов.

Приведенные примеры далеко не исчерпывают весь ассортимент редукции геномов у возбудителей инфекционных болезней. Редуцированными являются геномы Chlamidia trachomatis (1,04 м.н.п.), Treponema pallidum (1,14 м.н.п.), Rickettsia prowachekii (1,1 м.н.п.) [84]. При этом важно отметить, что процесс редукции у различных возбудителей происходил на протяжении разного времени и, соответственно, привёл к последствиям разного масштаба.

Утрата частей генома, наблюдаемая у возбудителей инфекций, имеет место и у эндосимбионтов. К настоящему времени накопилось достаточно примеров облигатного мутуализма между эндосимбионтами и их хозяевами. Наиболее изученными являются бактерии Buchnera aphidicola -эндосимбионт тлей, Wigglesworthia glossinidia и Sodalis glossinidius -- эндосимбионты мухи це-це Glossina brevipalpis, Carsonella ruddii -- эндосимбионт азиатской цитрусовой псилиды Diaphorina citri (насекомое, похожее на маленькую цикаду), Sitophilus ozyrae (SOPE) -- эндосимбионт долгоносиков, Blattobacterium -- эндосимбионт тараканов, Blochmannia -- эндосимбионт муравьёв семейств Formicineae и Camponotus. [см. 111, 84].

Вследствие инфекции предшественником Escherichia coli растительных тлей, произошедшей сотни миллионов лет назад, возник новый вид -- эндосимбионт B. aphidicola. К настоящему времени геном B. aphidicola утратил большую часть исходного генетического материала (сравнение с E. coli). Показано, что существуют штаммы B. aphidicola, (выделенные из афид Cinara cedri), геном которых составляет 450 т.н.п., что даже меньше генома Mycoplasma genitalium [45].

Другой эндосимбионт Wigglesworthia glossinidia brevipalpis также происходит от энтеробактерии, многие миллионы лет назад поселившейся в клетках мухи це-це -- переносчика возбудителя сонной болезни Trypanosoma brucei. Современный геном W. glossinidia состоит из одной хромосомы размером 697.724 н.п., которая содержит 611 белок кодирующих генов, и одной плазмиды pWig1 размером 5.200 н.п. В хромосоме сохранены гены биосинтеза витаминов и другие метаболические гены, необходимые для жизни и размножения мухи. Удивительно, что у W. glossinidia сохранились некоторые гены, необходимые для свободного образа жизни, например, гены жгутиков. Необычна утрата этим геномом гена dnaA [8]. Однако на настоящий момент обладателем рекордно малого генома является Carsonella ruddii -- эндосимбионт псилиды Diaphorina citri. Геном этой бактерии состоит всего из 159 662 н.п. и содержит только 182 белок-кодирующих генов [71].

Таким образом, мы наблюдаем потерю генетического материала у возбудителей инфекционных болезней и эндосимбионтов и отсутствие этого явления (во всяком случае, в таких масштабах) у близкородственных штаммов.

I.2. Общепринятое объяснение редукции геномов.