Горизонтальный перенос генов (ГПГ) и дупликация генов часто рассматриваются как отдельные механизмы, приводящие к эволюции новых функций.
Однако мобильные генетические элементы (МГЭ), участвующие в ГПТ, могут копировать сами себя, поэтому положительный отбор на МГЭ может стимулировать дупликацию генов. Отбор на более высокую экспрессию генов может способствовать быстрой эволюции дублированных генов через различные молекулярные механизмы. Кроме того, дупликация генов давно признана важнейшим шагом в эволюции новых функций и признаков. По этим причинам дупликация генов является важным эволюционным механизмом для быстрой адаптации к новым метаболическим и экологическим нишам. Недавно дублированные и, таким образом, функционально избыточные гены часто возвращаются к состоянию с одной копией в отсутствие отбора, что позволяет предположить, что для поддержания дублированных генов необходим отбор. Действительно, отбор на сильную экспрессию генов является ключевым фактором для сохранения дублированных генов антибиотикорезистентности (ARG) на плазмидах. Кроме того, недавние метагеномные исследования показывают, что вариации числа копий в микробиоме человека являются обычным явлением и влияют на здоровье человека.
Лабораторные эксперименты показали, что положительный отбор может стимулировать быструю эволюцию дупликаций генов благодаря быстрой кинетике таких молекулярных механизмов, как тандемные амплификации. В то время как в ряде исследований изучались тандемные дупликации и амплификации генов в условиях лабораторного отбора на резистентность к лекарственным препаратам или специфические метаболические функции, лишь в немногих работах изучалась роль МГЭ в развитии дупликаций генов.
Вслед за Partridge et al. мы определяем МГЭ как "элементы, способствующие внутриклеточной мобильности ДНК (например, от хромосомы к плазмиде или между плазмидами), а также те, которые обеспечивают межклеточную мобильность ДНК". В наших экспериментах мы сосредоточились на транспозонах и плазмидах, которые, как известно, опосредуют горизонтальный перенос ARG в микробных сообществах. Наш биоинформационный анализ более широко рассматривает гены, кодирующие компоненты МГЭ, включая гены, вовлеченные в функции транспозонов, интеграз, бактериофагов и плазмид.
Ранее мы показали, что антибиотики выбирают перемещение транспозируемых ARG с хромосом на плазмиды с несколькими копиями, поскольку увеличение числа копий ARG на плазмидах с несколькими копиями приводит к повышению экспрессии этих генов и, следовательно, к повышению резистентности. Основываясь на этих данных, мы предположили, что антибиотический отбор также будет благоприятствовать дупликациям ARG, возникающим в результате внутрихромосомных транспозиций. Мы проверили эту гипотезу с помощью математического моделирования, экспериментальной эволюции и секвенирования генома, чтобы подтвердить расположение и количество копий транспонируемых ARG в эволюционировавших популяциях.
Основываясь на этих экспериментальных данных, мы предположили, что использование антибиотиков должно обогащать специфические популяции бактерий с дублированными ARG. В нескольких недавних исследованиях сообщалось о случаях дупликации генов в клинических изолятах, резистентных к антибиотикам, с использованием секвенирования с длинным прочтением или qPCR для измерения числа копий генов резистентности. Однако неизвестно, отражают ли эти случаи более широкую тенденцию. Чтобы ответить на этот вопрос, мы изучили распределение дублированных генов в десятках тысяч полных бактериальных геномов, которые были секвенированы с помощью технологии секвенирования с длинным прочтением.
До настоящего времени лишь немногие исследования систематически изучали дублированные гены в бактериальных геномах, что связано со сложностью определения идентичных повторов последовательностей с помощью технологий секвенирования второго поколения с коротким прочтением. Такие повторы последовательностей способствуют дупликации генов, но также затрудняют их обнаружение с помощью секвенирования с коротким прочтением из-за неточностей в выравнивании прочтений. Эти проблемы также мешают сборке генома из сложных метагеномных образцов. Секвенирование с длинными считываниями очень важно, поскольку длинные считывания могут охватывать повторяющиеся регионы, включая транспозоны и дублированные гены. Это позволяет устранить неоднозначность в изменении числа копий, включая сосуществование плазмид в данном изоляте или метагеномном образце.
Объединив моделирование, эксперименты и биоинформационный анализ, мы показали, что МГЭ служат мощным фактором дупликации генов, что дупликации генов, опосредованные МГЭ, часто носят адаптивный характер, что дублированные ARG более многочисленны в изолятах от людей и домашнего скота (микробная среда, наиболее связанная с использованием антибиотиков), что дублированные ARG более многочисленны в клинических изолятах, резистентных к антибиотикам, и что вероятность ассоциации дублированных ARG с МГЭ гораздо выше, чем ARG с одной копией. Мы изучили распределение дублированных ARG в 18 938 полных бактериальных геномах с экологическими метаданными. Дублированные ARG в значительной степени обогащены бактериями, выделенными от человека и домашнего скота. Дублированные ARG дополнительно обогащены в независимом наборе из 321 антибиотикорезистентного клинического изолята.
Полученные нами данные свидетельствуют о том, что дублированные гены часто кодируют функции, подвергающиеся положительному отбору и горизонтальному переносу генов в микробных сообществах.
