Горизонтальный перенос генов происходит чаще, чем все думали
Весной 2012 года аспирант Университета Дьюка Фэй-Вэй Ли испытывал трудности с написанием диссертации.
Он задался целью выяснить эволюционную историю неохрома, странного фоторецептора, обнаруженного у папоротников, который позволяет растениям чувствовать и расти в направлении источников света. Это было большим эволюционным приобретением для этой группы растений, поскольку оно позволяло им жить в тени и помогало им выживать, в то время как их цветущие родственники быстро захватили планету в меловой период, примерно 144-65 миллионов лет назад. Действительно, ученые предполагают, что неохром сыграл важную роль в том, что папоротники, размножающиеся спорами, не только выжили в условиях новой цветочной конкуренции, но и расцвели, и сейчас насчитывают более 10 000 видов, что примерно в четыре раза превышает биоразнообразие любой другой группы нецветковых наземных растений.
Для Ли это был проект мечты, поскольку, по его словам, он всегда обожал папоротники и даже считает, что именно они вдохновили его на научную карьеру. Единственная проблема заключалась в том, что он уже почти два года работал над этим проектом, а похвастаться было нечем, поскольку ему с трудом удавалось найти гомологи гена неохрома или его фрагменты в доступных геномных данных, которые могли бы пролить свет на эволюцию белка. "Помню, я сидел в кабинете моего руководителя Кэтлин Прайер, очень подавленный... очень беспокоился о своих перспективах как ученого", - говорит он.
Затем коллега-аспирант помог ему получить доступ к обширным данным транскриптома, которые собираются в рамках инициативы "Тысяча транскриптомов растений". Если у других видов растений есть похожие гены фоторецепторов, то их сиквенсы обязательно должны быть там. Поэтому Ли разработал биоинформационный конвейер для обнаружения генетического кода фоторецепторов и начал сканировать данные в поисках гомологов неохрома. И вот однажды, когда он сидел на полу своей квартиры и смотрел телевизор, а его ноутбук с запущенной программой стоял на журнальном столике, он получил совпадение - от рогоза. "Первое, что я сделал, это набрал в Google "что такое рогоз", - со смехом вспоминает Ли, который сейчас работает эволюционным биологом в Институте Бойса Томпсона в Нью-Йорке.
Роголистники - один из самых древних родов растений, сохранившихся до наших дней, быстро узнал он. По некоторым оценкам, они и их родственники из семейства бриофитовых отделились от других растений, включая папоротники, более 600 миллионов лет назад. Но когда Ли заглянул в геномы или транскриптомы клубневых мхов и других ликофитов, которые гораздо ближе родственны папоротникам, он не обнаружил никаких следов неохрома, что заставило его усомниться в правильности результата. Возможно, образец, давший предполагаемый сиквенс рогоза, был каким-то образом контаминирован материалом папоротников, вспоминает он. Но через несколько дней его программа обнаружила еще больше неохромоподобных белков в роголистнике, а быстрый филогенетический анализ показал, что их сиквенсы удивительно похожи, подтверждая, что они действительно гомологичны неохромам папоротника. Он начал понимать, что смотрит на гены, которые перекочевали из одной группы растений в другую.
"У меня сейчас будет сердечный приступ!!!", - написал он в электронном письме своим научным руководителям в марте 2012 года. В итоге он пришел к выводу, что примерно 178 миллионов лет назад какой-то папоротник взял немного ДНК рогоза, и бац, целый род стал готов к быстрому распространению, даже в условиях бурного роста разнообразия цветковых растений, которые стали доминировать в наземной флоре планеты.
Если бы Ли изучал бактерии, обнаружение такого латерального или горизонтального переноса генов (ГПГ) не было бы столь невероятным. Почти за 100 лет до этого исследователи впервые продемонстрировали, что бактерии могут передавать друг другу генетически закодированные признаки. С появлением секвенирования ДНК в 1980-х и 90-х годах ученые не только смогли увидеть, как ДНК перемещается между видами микроорганизмов, но и раскрыли многочисленные механизмы, позволяющие это делать, что стало неопровержимым доказательством того, что горизонтальный перенос играет доминирующую роль в эволюции прокариот. Но обмен ДНК между сложными эукариотическими геномами - это совсем другое дело, и то, что "не считалось возможным еще пятнадцать-двадцать лет назад", - говорит Антонис Рокас, эволюционный биолог из Университета Вандербильта.
Однако история исследовательской карьеры Ли не уникальна. В настоящее время существует множество примеров вероятного ГПГ у протистов и одноклеточных водорослей, а также у грибов, растений и животных, включая позвоночных, и исследователи приходят к мнению, что латеральный перенос генов также играет важную роль в эволюции эукариот. Как этим организмам удалось обменяться ДНК с далеко родственными видами, неизвестно; возможно, ДНК передавалась вирусами или мембранными везикулами, хотя есть и другие возможности.
Но каким бы ни было средство доставки, ясно одно: в отличие от простоты эволюции от общего предка, как это обычно изображается, ветви древа жизни кажутся непостижимо запутанными, и ученые только начинают понимать степень этой сложности.
"По мере того, как увеличиваются наши данные, растет и наша способность обнаруживать горизонтальный перенос генов", - говорит Рокас. "Так что по мере того, как мы будем изучать все больше и больше разнообразных линий, я думаю, мы будем находить все больше и больше случаев".
Возможные механизмы эукариотического горизонтального переноса генов
Генетические исследования показали, что горизонтальный перенос генов у эукариот может происходить и происходит. Однако как именно, остается лишь догадкой. Для того чтобы чужеродная ДНК попала в геном эукариотической клетки, ДНК должна сначала проникнуть в клетку, затем пересечь ядерную оболочку и, наконец, вставить себя в геном. Ниже приводится ряд предполагаемых механизмов, с помощью которых это может произойти.
Проникновение в клетку
№ 1- вирусы
Помимо вставки собственного генетического материала в организм хозяина, вирусы могут подхватывать и переносить гены различных видов, которые они инфицируют, и поэтому могут служить в качестве паромов для ГПГ. Одно из исследований 2018 года показало, что геминивирусы могут переносить гены хозяина от одного растения к другому.
№ 2 - внеклеточные везикулы
Эти маленькие мембранные пузырьки известны тем, что переносят молекулы между клетками и могут переносить фрагменты ДНК. В лабораторных исследованиях внеклеточные везикулы были вовлечены во внедрение чужеродной ДНК в культивируемые клетки, включая интеграцию коровьей ДНК из фетальной бычьей сыворотки в культуральной среде в клетки мыши.
№3 - переваривание
Микробные эукариоты, которые участвуют в фаготрофии для поглощения микробов, могут получать перенос генов из ДНК, содержащейся в их пище. Доказательством этой идеи служат многочисленные сообщения о латеральном переносе генов у фаготрофных протистов.
№ 4 - эндосимбионты или эндопаразиты
Накапливаются исследования, свидетельствующие о более высокой скорости переноса генов к обитающим в цитоплазме видам и от них. Например, малярийные паразиты, живя внутри клеток крови, принимают и экспрессируют человеческую ДНК. А бактерии, живущие внутри клеток насекомых, передали множество генов своим хозяевам, что позволило паразитам выжить с очень маленькими геномами.
№ 5 - экологическая ДНК
Хотя механизмы неясны, известно, что клетки могут притягивать молекулы внешней ДНК при соответствующих условиях. Это означает, что ДНК из окружающей среды - из кожи, слизи, гамет или других источников - может попасть в клетки и таким образом стать исходным материалом для переноса, как, например, при переносе белка, связывающего лед, между арктическими рыбами.
Ядерная локализация
№ 6 - вирусы
Вирусы, особенно ДНК-вирусы, часто способны пронести генетический материал в ядро своего хозяина. Исследование 2018 года, посвященное геминивирусам, показало, что гены, полученные от одного хозяина, транскрибировались в другом после инфицирования, что указывает на то, что вирусные мини-циклы, содержащие ДНК хозяина, попали в ядро нового хозяина.
№ 7 - эндогенные процессы
Исследования показали, что ДНК, введенная в цитоплазму, может попасть в ядро. Одним из способов этого является соединение с белками, имеющими сигналы ядерной локализации, такими как факторы транскрипции или гистоны; белки, по сути, увлекают за собой ДНК, проходя через ядерные поры. Вероятно, существуют и другие, пока еще не описанные механизмы.
Вставки в геном
№ 8 - вирусы
Многие виды вирусов, включая ретровирусы, способны добавлять ДНК в хромосомы - отсюда их использование в некоторых методах трансфекции. Однако до сих пор не было убедительно доказано, что дикие вирусы вставляют гены, полученные от хозяев, в геномы других хозяев.
№ 9 - эндогенная репарация
ДНК в ядре может встраиваться во время процессов репарации. Например, когда разрывы ДНК индуцируются с помощью CRISPR/Cas9, исследователи обнаружили, что может происходить непреднамеренное добавление ДНК.
№ 10 - прыгающие гены
Как только чужеродная ДНК оказывается в ядре, она может быть включена в геном с помощью транспозонов, которые вырезают и вставляют себя с помощью хорошо задокументированных механизмов. Действительно, недавно перенесенные сиквенсы часто сопровождаются такими прыгающими генами.
Микробы как микробы
Первое исследование, демонстрирующее передачу признаков между бактериями, было опубликовано в 1928 году, еще до открытия ДНК. Лондонский врач Фредерик Гриффит вводил мышам одновременно живые непатогенные и мертвые патогенные бактерии и увидел, что одного присутствия умерших бактерий, которые когда-то были вирулентными, достаточно, чтобы наделить более безопасные микробы способностью причинять серьезный вред. В 1940-х годах дальнейшие исследования подтвердили выводы Гриффита и указали на ДНК как на средство передачи признаков, после чего последовал непрерывный поток работ по ГПГ бактерий. Затем, во время революции в геномике 1990-х годов, подавляющее количество доказательств - включая подробные молекулярные механизмы, объясняющие, как ДНК перемещается между клетками - утвердило ГПГ как основной механизм эволюции у прокариот.
Тем не менее, когда в 2000-х годах появились первые исследования, намекающие на возможность ГПГ в эукариотических организмах, исследователи не решались доверять результатам, ссылаясь на многочисленные препятствия, которые казались непреодолимыми. Например, если в бактериальных геномах чужеродная ДНК может легко попасть в цитоплазму, то в эукариотах она должна пройти через строго регулируемые ядерные поры, чтобы попасть в ядерный дом генома. Кроме того, поскольку эукариотические геномы организованы в пары гомологичных хромосом, которые должны правильно выстраиваться во время мейоза, некоторые исследователи утверждали, что большие вставки просто физически нарушат процесс и помешают производству гамет.
По сей день доказательства эукариотического ГПГ намного скуднее, чем бактериального, и некоторые ученые по-прежнему скептически относятся к его распространенности или важности в эволюции различных таксонов. Однако Эндрю Роджер, сравнительный генетик из Университета Далхаузи в Новой Шотландии, говорит, что те, кто работает с одноклеточными эукариотами, с готовностью приняли решение о распространенности и важности ГПГ у бактерий.
Геномные данные - в частности, данные секвенирования с длинным прочтением, которые определяют геномный контекст для предположительно чужеродных генов - были однозначны, говорит он. "Чем больше геномов вы получаете, тем больше вы понимаете: вот этот кусок хромосомы из этого организма в том, который находится здесь. И это просто очевидный перенос". По его мнению, добавляет он, нет никаких сомнений в том, что горизонтальный перенос генов сыграл огромную роль в эволюции протистов.
Возьмем, к примеру, Pygsuia biforma, которая живет в бедном кислородом мягком иле бухты Принс на мысе Код. Этот амебоподобный организм, очевидно, получил генетический подарок от другого микроба. В частности, одноклеточный эукариот приобрел ген, который кодирует фермент, необходимый для производства родохинона - молекулы, которая может занять место кислорода в качестве последнего акцептора электронов при производстве АТФ. Получила ли Pygsuia biforma этот ген непосредственно от бактерии, неясно, поскольку генетические сравнения показали, что все виды протистов, устойчивых к гипоксии, обладают очень похожими генами. Это "совершенно не связанные между собой линии, которые независимо друг от друга адаптировались к низкому содержанию кислорода", - объясняет Роджер. "Так что, я думаю... фермент появился в одном из них, а затем передавался от одного к другому".
Другие примеры функционального ГПГ встречаются у одноклеточных эукариот. Исследования показывают, что гены, участвующие в переваривании сложных углеводов, выживании при низких температурах и переносимости чрезвычайно соленой среды, попали в геномы протистов из других источников. Геномы дрожжей, похоже, тоже изобилуют переносами. "Грибы представляют собой настоящий беспорядок в геномном отношении, и очевидно, что здесь происходило множество переносов генов", - говорит Роджер.
Рокас указывает на пивные дрожжи (Saccharomyces cerevisiae) как на хорошо задокументированный случай передачи генов от эукариот к эукариотам. Среди многих коммерческих применений, дрожжи используются в виноделии, где они вступают в тесный контакт с микробными загрязнениями, попадающими в винные бочки. Исследование показало, что три больших, важных для ферментации фрагмента генома S. cerevisiae - всего более 120 килобаз - были скопированы у отдаленно родственных видов контаминирующих дрожжей. Рокас также приводит множество примеров из собственных исследований, включая дрожжи, обитающие в нектаре, которые получили железосвязывающее соединение от бактерий, живущих в кишечнике насекомых, и патогенный грибок с десятками чужеродных метаболических генов, которые, вероятно, способствуют его гибкому образу жизни. Команда Рокаса и других исследователей даже обнаружила целые метаболические пути, которые перешли из одного организма в другой, чему способствовала склонность грибов группировать гены, участвующие в метаболических путях, вместе в геноме.
Рокас говорит, что когда он и его коллеги впервые начали искать такие целые кластеры чуть более десяти лет назад, он скептически относился к тому, что они их найдут. Но его тогдашний аспирант Джейсон Слот отнесся к этой идее более непредвзято, рассказывает Рокас, и они решили, что если такие переносы действительно произойдут, то вероятность того, что они останутся, будет выше, чем у отдельных генов или их фрагментов, поскольку кластеры могут передавать новые способности одним махом. Поэтому исследователи разработали программу для поиска кластеров, созданных по принципу "одного маха", и вскоре нашли кандидата: 57-килобазную коллекцию из 24 генов для создания мощного токсина стеригматоцистина, которая, как оказалось, поменялась местами между двумя нитчатыми грибами, Aspergillus nidulans и Podospora anserina. "Я был удивлен", - говорит Рокас. "Я был рад, что ошибся".
Теперь, по словам Рокаса, он считает, что ДНК не только перемещается по древу жизни, но и перемещается гораздо чаще, чем кто-либо мог себе представить, а выявленные случаи ГПГ являются лишь небольшой выборкой из общего числа переносов, которые происходили в течение эволюционного времени. "Я считаю, что интеграция на порядки больше, чем удержание", - говорит Рокас. "То есть в геномы грибов поступает гораздо больше ДНК, и только крошечная часть этой ДНК является адаптивной или достаточно отобранной для сохранения".
Другие исследователи отмечают, что для сохранения ГПГ на самом деле не требуется эволюционная полезность. Еще в 1998 году эволюционный биолог У. Форд Дулиттл отметил, что даже если вставленный ген просто дублирует существующий ген организма, он может взять на себя роль текущего гена. Как и в случае случайного дублирования гена во время репликации, рассуждал он, для генома не имеет значения, какая копия сохранится, а какая мутирует во что-то новое или уйдет в небытие. Таким образом, только случайность может привести к тому, что вновь вставленный чужеродный ген возьмет на себя функции гена и сохранится. Чем больше "попыток" у гена войти в геном, тем больше вероятность того, что он сохранится - эта идея подтверждается высокой скоростью переноса генов из органелл, полученных от эндосимбионтов, таких как митохондрии, в ядерный геном.
Дулиттл подробно описал этот механизм, благоприятствующий накоплению ГПГ, применительно к микробным эукариотам и их пище. Он предположил, что для одноклеточных эукариот, которые поедают других микробов, чужеродная ДНК из потребляемой пищи имеет хоть какой-то шанс быть включенной в геном поедателя, а значит, обеспечивает бесконечный запас новых генов для эволюции. Но, как выяснили исследователи за последние 25 лет после работы Дулиттла, существует множество других способов попадания чужеродной ДНК в эукариотические клетки, включая клетки многоклеточных организмов.
Пересечение царств
Чуть более десяти лет назад эволюционный биолог Нэнси Моран из Техасского университета в Остине изучала мелких гороховых тлей (Acyrthosiphon pisum), питающихся соком, когда наткнулась на неожиданную находку, касающуюся того, как насекомые приобретают зеленый и красный цвета тельца. Исследователи полагали, что у животных отсутствует способность вырабатывать каротиноидные пигменты, обеспечивающие их окраску, хотя известно, что различные виды животных могут выделять каротиноиды из того, что они едят, чтобы изменить свою окраску. Однако, поскольку каротиноиды растворимы в липидах, они обычно не содержатся в соке растений, который пьют тли, поэтому Моран не считала это вероятным, вспоминает она. В качестве альтернативы, бактерии внутри насекомых могли бы производить пигменты, но генетические исследования Моран и других авторов ранее не смогли найти гены биосинтеза каротиноидов в эндосимбионтах тли, а схема наследования цвета не соответствовала передаче симбионтов по мужской линии. Оставался манящий вариант, что тля каким-то образом развила способность производить свои собственные каротиноиды.
К счастью, геном гороховой тли только что был секвенирован и опубликован, поэтому Моран решила проверить его на наличие генов, сходных с теми, которые участвуют в бактериальном синтезе каротиноидов. И действительно, она нашла совпадения. А когда она обратила поиск в обратную сторону, чтобы найти опубликованные сиквенсы, наиболее похожие на гены тли, ближайшие совпадения были обнаружены у дрожжей и многоклеточной плесени. "Оказалось, что даже расположение генов в геноме было таким же, как у этих грибов", - говорит Моран. "Все это имело смысл и, по сути, стало доказательством" межцарственного ГПГ, - рассказывает она.
Моран говорит, что не получила никаких возражений на свое заявление о переносе генов от грибов к животному - "это действительно простой случай", - отмечает она. Но, по ее словам, сначала это воспринималось как "странная вещь, которая произошла", пока не стали известны другие случаи межцарственного переноса генов у насекомых и других эукариот. Например, нематода Pristionchus pacificus, как оказалось, получила гены целлюлазы от слизистых плесеней и водорослей, которые помогают им переваривать бактерии, образующие биопленку, согласно исследованиям Зидуана Хана, биолога из Института биологии Макса Планка (Германия) и его коллег. А в прошлом году группа исследователя Китайской академии сельскохозяйственных наук попала в заголовки газет, обнаружив, что белокрылки (Bemisia tabaci) используют растительный ген для детоксикации соединений в растениях, которые они потребляют - второе событие ГПГ, обнаруженное у этого вида. Теперь тля - это всего лишь один пиксель в формирующейся картине ГПГ как регулярного фактора эволюции всех форм жизни, говорит Моран.
"Я думаю, что суть заключается в том, что ДНК действительно распространяется везде".
Тем не менее, идея о том, что ГПГ вносит значительный вклад в эволюцию эукариот, остается спорной, говорит Роджер. В частности, "в сообществе специалистов по геномам животных все еще много скептицизма", - отмечает он. Отчасти это может быть связано с воспоминаниями о первых смелых заявлениях о ГПГ у животных, которые оказались результатом плохой постановки экспериментов и контаминации, говорит Ли - например, в 2001 году в журнале Nature была опубликована первая последовательность генома человека, в которой утверждалось, что она изобилует бактериальными генами. "Это оттолкнуло многих", - говорит он. Тем не менее, Ли считает, что "с появлением все большего количества статей люди становятся все более открытыми к этой идее".
Теперь вопрос смещается от того, происходит ли ГПГ у эукариот, к тому, насколько часто или редко он встречается в различных группах и почему. Эволюционный биолог Университета Париж-Сакле Клеман Жильбер особенно заинтересован в определении частоты ГПГ в многоклеточных организмах. В своей статье, опубликованной в журнале Nature Communications в 2020 году, Жильбер с коллегами попытались определить частоту переноса у позвоночных - группы, где долгое время считалось, что длительного переноса практически не существует.
Изучив 307 геномов позвоночных, которые были доступны в GenBank на тот момент, исследователи обнаружили доказательства более чем 975 независимых переносов транспозиционных элементов среди позвоночных. Подавляющее большинство из них происходило между рыбами и другими водными позвоночными, а среди наземных животных их было относительно немного. Это может свидетельствовать о том, что окружающая среда или определенные особенности образа жизни играют определенную роль в облегчении ГПГ: многие рыбы имеют внешнее оплодотворение, поэтому их зародышевые линии могут быть просто более уязвимы. Жильбер отмечает, что в анализе не рассматривался перенос сиквенсов других видов или из других источников, так что, скорее всего, это лишь некоторые из событий ГПГ у позвоночных.
Пойдя другим путем для изучения частоты переноса, Жильбер вместе со своим коллегой Флорианом Маумусом углубился в геном белокрылки и обнаружил доказательства как минимум 24 отдельных событий переноса из растений, составляющих рацион белокрылки, согласно препринту в bioRxiv, опубликованному этими двумя учеными в январе - "замечательное" открытие, говорит Жильбер.
Между тем, они не нашли генов из растений у Drosophila melanogaster, насекомых, которые также питаются растениями, но просто поедают внешние частички или выделения, такие как нектар, в то время как белокрылки проникают в ткани растения, чтобы пить его внутренние соки. Жильбер говорит, что полученные результаты могут свидетельствовать о том, что определенные виды взаимодействий способствуют развитию ГПГ. Действительно, чем теснее взаимодействуют организмы и чем выше степень экологической близости между видами, тем больше возможностей для того, чтобы ДНК одного вида попала в другой. В дополнение к высоким темпам передачи между эндосимбионтами и их хозяевами, например, есть некоторые свидетельства того, что скорость ГПГ выше у паразитов, которые могут даже играть определенную роль в переносе ДНК между видами. "Есть много вопросов, которые можно решить, и есть много возможностей для многих, многих исследователей внести свой вклад в эту область", - говорит Жильбер.
"Сейчас у нас есть инструменты и данные, которые позволяют нам количественно оценить эти переносы и определить влияние, которое они оказали на эволюцию эукариотических геномов", - добавляет он. "Я думаю, что исследование [белокрылки], которое мы провели, побуждает нас и многих других начать проводить такие систематические анализы. И, возможно, мы поймем, что эти переносы не так уж редки, как мы думали".
Даже если перенос у многоклеточных организмов действительно происходит реже, чем у микроорганизмов, Жильбер отмечает, что эволюционное значение - это не просто игра цифр. "Мы хотим думать не только о количестве, но и о влиянии. Возможно, всего один перенос мог оказать огромное влияние на жизнеспособность некоторых видов". Моран соглашается. "Во многих случаях [горизонтально перенесенная ДНК] кажется действительно ключевой для экологии или образа жизни данной конкретной группы. Даже если это лишь крошечная часть генома, она все равно может оказывать большое влияние".
