Автореферат: Механизмы приобретения и потери генетической информации бактериальными геномами

(Здесь необходимо отметить, что только что была опубликована на данный момент сенсационная статья, в которой показано существование бактериального организма, геном которого значительно меньше, чем геномы всех (трёх) ранее известных «рекордсменов». Это эндосимбионт, живужий в цитрусовых псилидах -- насекомых, питающихся соком растений. Он назван Carsonella ruddii [71]. Геном этой бактерии состоит только из примерно 160 т.н.п. и содержит только 182 белок-кодирующих генов. Это очень близко к рассчитанному на компьютере минимальному размеру генома -- 113 т.н.п. Уместно напомнить, что геном человека состоит из 3 миллиардов н.п.)

Геномы, претерпевшие редуктивную эволюцию в значительном объёме, тоже содержат псевдогены. У B. aphidicola str. Bp из Baizongia pistaciae их 10, а это значит, что ненужные гены не были утрачены как не поддерживаемые отбором, а в течение миллионов лет сохранялись в предельно редуцированном геноме.

Наиболее яркие примеры наследования генов, которое трудно объяснить влиянием фенотипического отбора, то есть предоставлением селективного преимущества бактериям, унаследовавшим новый ген, предоставляет горизонтальный перенос.

1). Бактерии B. quintana, содержат горизонтально перенесенный ген yopP, кодирующий антифагоцитарный белок-эффектор иерсиний, и ген секреторного белка для гемолитического токсина азотфиксирующей почвенной бактерии Sinorhizobium meliloti. Ни тот, ни другой ген не могли быть селекционированы фенотипическим отбором, поскольку являются частями сложных генетических систем и сами по себе никакой функции выполнять не могут. Однако оба этих гена сцеплены с генами тРНК и, следовательно, внедрились в сайт интеграции тРНК [9].

2) Ген пролил-тРНК синтетазы M. leprae отличается от других генов тРНК синтетаз этой бактерии. Он происходит не от общего с M.tuberculosis предшественника, а скорее всего был перенесен из генома Borrelia burgdoferi [34].

3). Одноклеточные простейшие, -- патогенные для человека парабазилиды Trichomonas vaginalis -- получили гены прoлил-тРНК-синтетазы и аланил-тРНК-синтетазы от представителя иного царства (Nanoarchaeota) -- N. equitans [14].

4). Ещё один случай перемещения генетического материала между царствами: фрагмент генома бактерии Wolbachia встроился в X-хромосому жука Callosobruchus chinensis [72].

Указанные случаи, однако, легко объясняются на основе концепции Пн-отбора.

При потере гена складывается другая ситуация. Для удаления генетического материала из ДНК также необходим Пн-выбор. В данном случае он выражается в наличии фланкирующих удаляемый ген полинуклеотидных последовательностей, благоприятствующих исключению. Наиболее изученные случаи -- это наличие повторяющихся последовательностей, типа IS-элементов, на которых могут оперировать те или иные ферменты рекомбинации. Если гены сохраняются в геноме, это не означает автоматически, что они необходимы для клетки в данных условиях. Это означает, что в геноме нет условий для их утраты.

Так, показано, что потеря генов при редукции геномов происходит в два этапа. Сначала ген инактивируется за счёт мутации, а потом уже инактивированный ген (псевдоген) делетируется [10, 97, 48]. Период полураспада псевдогенов у Buchnera aphidicola составляет 24 миллиона лет. Полная элиминация псевдогена достигается за 40 -- 60 миллионов лет [48]. То есть, ненужная ДНК задерживается в геномах на десятки миллионов лет.

Среди патогенных бактерий, геном которых в наибольшей степени «пострадал» от редукции, выделяется M.leprae (Табл. 1). Несмотря на утрату значительной части, редуцированный геном M.leprae сохранил 1 115 псевдогенов -- намного больше, чем в геноме любого другого возбудителя и достаточно большое количество некодирующих повторов (Табл. 1, Рис. 7). Как в геноме Y.pestis, находящейся, видимо, в начальной стадии редуктивной эволюции, так и в геноме M.leprae, ушедшей по пути редукции генома дальше других возбудителей инфекций, IS-элементов намного больше, чем у их «не редуцированных» ближайших родственников (см. выше). Сохранение и «размножение» в геномах Y.pestis, B.pertussis, B.mallei, M.leprae, претерпевающих редукцию геномов, фенотипически не значимой ДНК (повторов различного типа, IS-элементов) также свидетельствует против утверждения, что «ненужный» генетический материал, не поддерживаемый отбором, утрачивается.

Рис. 7 - Количество псевдогенов в геномах различных бактерий.

Экспериментальных доказательств того, что удаление из генома нейтральной генетической информации сообщает клеткам селективное преимущество нет или они неизвестны автору. Однако существуют данные о том, что в результате потери генетического материала селективные преимущества не возникают [98].

Если условия Пн-выбора позволяют потерю ДНК за счёт делеции, наследование такой делеции в потомстве будет строго зависеть от того, насколько необходим утраченный признак для клетки в данных условиях существования. То есть, вероятность потери фенотипически не значимых участков генома будет определяться только Пн-выбором. В случае благоприятного для делеции полинуклеотидного окружения данного фенотипически не значимого сегмента ДНК, такой сегмент будет с высокой вероятностью делетирован. Если рассматриваемый сегмент ДНК содержит фенотипически значимую информацию, то гены, кодирующие необходимые на данный момент и в данных условиях признаки, сохранятся в потомстве. Это не значит, что делеций этих генов не происходит. Просто выживают бактерии, не претерпевшие делеций. Примером нестабильности, определяемой контекстом, может служить поведение одного из участков ДНК Y. pestis.

Рис. 8 - Pgm локус (102 тнп) Y. pestis KIM10, ограниченный прямыми повторами элемента IS100

В хромосоме иерсиний есть локус рgm (Рис. 8). Если все гены этого локуса полноценны, имеет место пигментация бактерий (Pgm+ -фенотип). Однако этот фенотип нестабилен и с большой частотой утрачивается [28]. Оказалось, что весь сегмент ДНК, размером 102 тнп, делетируется за счёт рекомбинации между прямыми повторами ограничивающих его элементов IS100 [43]. Частота таких делеций в recA+ штаммах достигает значения 10-3 [50]. То есть, такие делеции происходят всё время в каждой тысячной клетке популяции. В отличие от ситуации с псевдогенами B.aphidicola, удаление из геномной ДНК одного из её сегментов не требует не то, что десятков миллионов лет, а происходит постоянно. Следовательно, миллионолетняя задержка удаления псевдогенов имеет место тогда, когда для делеций нет условий. В случае с локусом рgm такие условия есть, -- это фланкирующие элементы IS100.

То есть, в случае потери фенотипически значимых генов для осуществления делеции важны условия Пн-выбора, а для сохранения популяции в условиях вероятности делеции, -- фенотипический (естественный) отбор. Сделанные выводы суммированы в Табл. 5.

Таблица 5 - Зависимость приобретения и потери фенотипически значимых генов и нейтральной генетической информации от полинуклеотидного отбора и фенотипического (естественного) отбора.

Из сказанного следует, что генетический материал наследуется извне или удаляется из генома, если для этого есть возможность, определяемая структурой самого генома. Унаследованный ген стабилен, если геном не предоставляет ему условий для делеции. Роль фенотипического (естественного) отбора в этой системе равна нулю. Это означает, что первичные этапы любых изменений геномов и как следствие -- выбор пути эволюции геномов (компактизация или накопление) определяются особенностями структуры самих геномов. Структура геномов формируется благодаря предшествующему Пн-выбору. Фенотипический (естественный) отбор оперирует на следующем этапе и его объектом может быть часть тех изменений генома, которые были разрешены его структурой.

IV. Выбор пути эволюции генома. Гипотеза пульсации генома.

В свете представлений о Пн-выборе редукция геномов может рассматриваться следующим образом. Геномы, структура которых благоприятствует утрате генетического материала, подвергаются редукции и постепенно утрачивают степени свободы своего (своих носителей) существования. Например, у Buchnera aphidicola на определённом этапе эволюции были утрачены все гены, за исключением тех, которые позволяли этим бактериям существовать в организмах растительных тлей. Соответственно, бушнерa остались в тлях. Более того, они утратили ген recA, что ограничило возможности дальнейших перемен в их геномах только событиями незаконной рекомбинации.

Такой путь уготован далеко не всем эндосимбионтам. В частности, бактерии Wolbachia, видимо, не имели такой жесткой программы редукции, как бушнера и, будучи эндосимбионтами-паразитами, остались способными инфицировать самых разнообразных хозяев: муравьёв, жуков, плодовых мушек, пауков (в качестве паразитов) и даже нематод (в качестве симбионтов). Более того, они сохранили способность к рекомбинации и активно её используют, -- их геномы участвуют в частых актах межгенных обменов и горизонтального переноса [17, 112, 113, 83].

У каждого вида бактерий существует своя собственная программа развития генома. Так, из почвенной бактерии общего предшественника образовались виды B. mallei -- возбудитель сапа, B. pseudomallei -- возбудитель мелиоидоза, и B. thailandensis -- непатогенный сапрофит, геномы которых, сохраняя родство, существенно отличаются и по набору генов, и по направлению развития.

В том случае, когда эволюция генома идёт по пути редукции среди геномных перестроек преобладают делеции. Делеции -- это события, которые могут привести не только к утрате генов. Они приводят к тем же последствиям, что и транслокации и инверсии, то есть к изменению нуклеотидных последовательностей и, следовательно, имеют такой же эволюционный потенциал. Потеря сегментов ДНК при компактизации геномов -- это делетирование. Следовательно, компактизация генома, изменяя его нуклеотидные последовательности, может изменить вероятность последующих перестроек, в том числе интеграции сегментов ДНК в сайты, возникшие вследствие делетирования. При этом, нас интересуют случаи увеличения такой вероятности. Коль скоро, на месте делетируемых нуклеотидных последовательностей возникают новые нуклеотидные последовательности, то в случае формирования эффективного сайта интеграции, в этот сайт будут внедряться сегменты ДНК (блочные модули), отличающиеся от делетированных. Тогда компактизация генома сама по себе может не только создавать условия для последующей экспансии, но и обеспечивать поглощение геномом качественно новой информации. Отсюда следует, что программа генетических изменений генома изменяется в ходе осуществления этих изменений и определяется уже произошедшими генетическими перестройками.

Можно предположить, что после достижения минимального размера генома, совместимого с условиями существования, часть популяции вида, может начать новый цикл захвата генетического материала. Этому может способствовать и мутационный процесс. Показано, что редукция геномов приводит к увеличению частоты точковых замен пар оснований ДНК [67, 116, 52], что возможно, в значительной степени связано с утратой редактирующих и других компонентов репаративных систем на ранних стадиях редукции [8, 35]. Высокая частота замен должна увеличить вероятность образования сайтов интеграции вновь привнесённых фрагментов ДНК в геном.

Если такой процесс может иметь место, то пульсация геномов представляется одним из возможных механизмов эволюции.

Гипотеза пульсации геномов в общих терминах и формально противоречит так называемому «закону Долло», который утверждает, что «эволюция прерывиста, необратима и ограниченна» [39], но вполне согласуется со взглядами Соболева, краеугольным камнем теории которого является обратимость процесса эволюции [5]. В рамках концепции пульсации генома фаза редукции представляется следующим образом. В геноме произошло такое распределение горячих точек рекомбинации (IS-элементы, профаги, повторяющиеся последовательности), которое благоприятствует утрате генетического материала. Если возникающие делеции затрагивают гены, необходимые для жизни в окружающей среде, фракция популяции данного обладателя редуцирующегося генома гибнет. Выживает та фракция популяции, которая оказывается в более благоприятных условиях, в которых делетированные гены не требуются. В этих условиях процесс компактизации может продолжаться до тех пор, пока объём и содержание генома будут совместимы с жизнью его обладателя. То есть, компактизация (делеции) начинается не тогда, когда бактерии попали в организм теплокровного, а тогда, когда для компактизации создались условия в геноме. В эукариотическом организме этот процесс будет успешно продолжаться без таких потерь выживаемости, какие могут быть в иных, менее благоприятных условиях.

Совершенно очевидно, что «пульсация геномов» -- механизм достаточно медленный даже по геологическим мерам времени и поэтому применимый только для эволюции геномов, скорость размножения носителей которых сравнима с таковой у бактерий.

Если редукция геномов не ведёт в тупик, то в реально существующих редуцированных геномах должны происходить изменения, отличные от редукционных, т.е. от делеций. Такие изменения удается зарегистрировать. Например, среди патогенных бактерий значительной редукции подвергся генов M. leprae. При этом установлено, что пролил-тРНК синтетаза, кодируемая геном proS, в отличие от других тРНК синтетаз, не гомологична одноимённому ферменту M.tuberculosis, а более всего близка с ферментом Borrelia burgdoferi и эукариотов (дрозофилы, человека и дрожжей) (Рис. 9). Предполагается, что M. leprae получила ген proS от B.burgdoferi, которая в свою очередь, унаследовала его от человека. Ген proS расположен в геноме M. leprae в ином месте и инвертирован по сравнению с положением proS в геноме M.tuberculosis [34] (Рис. 9). То есть редукция генома в данном случае не была препятствием для наследования гена за счёт горизонтального переноса.