В помощь эволюции

Как мы представляем себе эволюцию? Спонтанные или индуцированные средой мутации создают новые гены, которые кодируют новые признаки (свойства). Если этот признак улучшает конкурентные возможности организма, то этот организм оставляет больше потомства, размножая новый ген в поколениях.

Вроде бы сложно и страшно, но тут сама Природа заведует процессом, а значит – что уж переживать? Другое дело, когда вмешивается человек. Это уже не очень комфортно.

Но вот случился 21 век, и мы влетели со свистом в эру генетически-модифицированных организмов. Теперь и продукты питания и многие лекарства создают методом генной рекомбинации. Ну, например, инсулин для вас продуцирует Escherichia coli, которой внедрили ген, кодирующий про-инсулин. Затем его выделяют, очищают и продают вам.

Хорошо ли это? Хорошо ли «скрещивать» бактерию с человеком? Ведь такого в природе не бывает. Или бывает?

Первые микробиологические исследования пневмококков сразу выявили два разных фенотипа – шероховатые (rough) и гладкие (smooth). Шероховатые пневмококки не вирулентны, то есть они не могут вызвать заболевание в эксперименте, а гладкие могут.

шероховатые и гладкие пневмококки

Обнаружив это, в 1928 году один английский микробиолог заразил мышей одновременно двумя штаммами – и шероховатыми и гладкими. Но только шероховатые бактерии были живые, а гладкие – убитые.

Через некоторое время у животных развилась пневмония, а в крови было обнаружен гладкие пневмококки. Это навело ученого на мысль, что между живыми невирулентными бактериями и убитыми вирулентными произошел какой-то обмен, который изменил шероховатый штамм, наделив его новыми способностями.

Исследование вошло в историю, как эксперимент Гриффита, по имени его автора Фредерика Гриффита – первого, кто предположил и доказал, что бактерии могут обмениваться друг с другом наследуемой информацией вне клеточного деления.

Фредерик Гриффит

Этот эксперимент состоялся через год после того, как наш соотечественник Николай Константинович Кольцов предположил, что переносчиком генетической информации может быть молекула ДНК и предсказал ее структуру и механизм репликации.

Николай Константинович Кольцов

В последующих экспериментах выяснилось, что переносчиком информации от гладких пневмококков шероховатым штаммам была ДНК. Сначала многие исследователи отрицали эту возможность, так как полагали, что за перенос генов должны отвечать более сложные молекулы – белки.

Но через 10 лет было показано, что бактериофаг, заражающий бактерию, вводит в нее только ДНК и никаких белков. А еще позже Уотсон и Крик предположили, что генетическая информация закодирована в ДНК в последовательности нуклеотидов.

Феномен, открытый Гриффитом, получил название «трансформация». При гибели бактерий их ДНК может оказаться во внеклеточном пространстве. Там она будет разрушена. Но если рядом с фрагментами ДНК находится другая бактерия, то она может захватить их внутрь своей цитоплазмы и встроить в своей геном. Для этого бактерия-реципиент должна быть в особом состоянии – определенный момент жизненного цикла, который называют «компетентность».

В цитоплазме реципиента фрагменты чужой ДНК разрезаются эндонуклеазами с образованием одноцепочечных молекул длиной в 7,000-10,000 нуклеотидов. Такие молекулы могут рекомбинироваться с геномом бактерии, привнеся в него новые гены.

В тот же самый период, когда Гриффит изучал трансформацию, был открыт еще один феномен обмена генетической информацией между близко находящимися бактериями – «конъюгация». Этот механизм мы обсуждали в статье «Плазмиды».

Есть и третий механизм переноса генетической информации от одной бактерии к другой – «трансдукция». Его открыл в 1951 году лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине — Джошуа Ледерберг.

Джошуа Ледерберг

В экспериментах с мутантными штаммами сальмонелл Ледерберг и его коллега Циндер обнаружили перенос генов между разными штаммами, который осуществляли не ДНК и не РНК. Переносчиком оказался вирус – бактериофаг.

бактериофаг

Суть трансдукции заключается в том, что часть вирусных частиц бактериофага, размножающихся внутри бактерии, содержат в себе не копию ДНК первой вирусной частицы, а фрагмент ДНК самой бактерии. Впоследствии, когда такой бактериофаг заражает следующую бактерию, этот фрагмент ДНК рекомбинируется с геномом новой жертвы, и, если она выживает, то получается гибрид.

горизонтальный перенос генов

Все три механизма объединили в один термин – горизонтальный перенос генов (horizontal gene transfer). Это открытие внесло коррективы в классическое представление Дарвина о древе эволюции. Выяснилось, что между отдельными ветками этого древа существуют горизонтальные мостики.

Зачем эволюции нужны эти механизмы?

Пока что механизмы горизонтального (еще иногда называют латерального) переноса генов изучены лучше всего у бактерий. У них трансформация, трансдукция и конъюгация вносят существенный вклад в натуральный и искусственный отбор. Для человека это оборачивается, например, распространением антибиотико-резистентных штаммов микроорганизмов.

Однако, существует гипотеза, что горизонтальный перенос вносит в лепту эволюции и макроорганизмов тоже.

Все макроорганизмы (растения, животные, люди) тащат на себе большое количество бактерий. У нас их в 10 раз больше, чем своих собственных клеток. Однако, большинство из пассажиров не патогенны. Наоборот, они стабильные симбионты, то есть всю нашу жизнь помогают нам в обмен на кров, пищу и защиту.

Вся совокупность живущих у нас микроорганизмов называется микробиом. Плотность заселения и общее количество генов (в 150 раз больше, чем в геноме самого человека) благоприятствует случайному обмену генами между микроорганизмами, и он, закономерно, случается прямо в/на нашем теле.

микробиом

Конечно, далеко не все эпизоды обмена элементами генома дают участникам «суперспособности». Обычно, это заканчивается либо гибелью участников, либо потерей уже нажитого преимущества, либо ничем.

Тем не менее, упомянутая ранее резистентность к антибиотикам, помогающая бактериям переживать наше увлечение этими лекарствами, во многом передается «горизонтально».

Горизонтальный перенос полезных навыков описан между бактериями (я уже рассказывал, про морскую бактерию Zobellia galactanivorans, «научившую» бифидобактерии японцев переваривать водоросли), бактериями и растениями, бактериями и животными и даже между животными.

Так, например, между рыбами, обитающими возле Антарктиды при температуре соленой воды минус 1.5 – минус 2.0 по Цельсию, отмечен горизонтальный перенос генов, кодирующий антифризные белки (они связываются с кристаллами льда и мешают им расти).

антифриз рыб

Происходят такие процессы и между бактериями и соматическими клетками человека.

Большинство наших симбионтных бактерий живут в постоянном плотном контакте не только друг с другом, но и с человеческими соматическими клетками, эпителиоцитами кишечника, например.

В 2001 году опубликовали результаты первой расшифровки человеческого генома, в результате которой нашли 113 генов, полученных человеком от бактерий. Авторы статьи тогда предположили, что эти гены могли появиться в результате горизонтального переноса, но это позже оспаривалось.

В 2013 году в PLoS вышла статья, в которой эта гипотеза подтвердилась – были найден фрагменты бактериального генома в составе генома соматических клеток человека, попавшие туда путем горизонтального переноса генов.

Какие именно функции выполняют элементы микробного генома в ДНК наших соматических клеток пока неизвестно. Возможно, этот вопрос получит ответ в рамках запущенного в 2007 году проекта по расшифровке микробиома, то есть геномов бактерий, вирусов и других микроорганизмов, живущих в/на человеческом теле.

Но уже сегодня совершенно ясно: Вы — тоже генетически-модифицированный организм.

Добавить комментарий

Такой e-mail уже зарегистрирован. Воспользуйтесь формой входа или введите другой.

Вы ввели некорректные логин или пароль

Извините, для комментирования необходимо войти.