Коловратки «воруют» у бактерий гены для защиты от инфекций
Антагонистические взаимодействия между видами являются сильными, повсеместными и неустанными источниками отбора в природных популяциях.
Примерами могут служить гонки вооружений между факторами вирулентности патогенов и иммунными системами хозяев, а также коэволюция между антимикробными соединениями или токсинами и путями противодействия им. Эта динамика является центральной для различных глобальных проблем, включая возникающие инфекционные заболевания, борьбу с патогенами сельскохозяйственных культур и резистентность к противомикробным препаратам. Согласно теории, отбор, возникающий в результате антагонистической коэволюции, может благоприятствовать адаптации к изменению существующих комбинаций генов или приобретению генов, несущих новые функции. Эти процессы помогают объяснить особенно быструю и интенсивную адаптивную эволюцию, наблюдаемую в локусах, кодирующих молекулярных посредников конфликтов.
В разных областях жизни проблема постоянного генетического смешения обычно решается по-разному. В бактериях и археях горизонтальный перенос генов (ГПГ) происходит с помощью различных механизмов и хорошо известен как способ распространения резистентности к противомикробным препаратам, а также генов, кодирующих производство антибиотиков и другого молекулярного оружия. Например, нерибосомальные пептидные синтетазы и поликетидные синтетазы - это крупные, мультимодульные ферменты, катализирующие сборку огромного количества натуральных продуктов, включая токсины, иммунодепрессанты и антимикробные соединения. Они могут быть закодированы как кластеры биосинтетических генов как на плазмидах, так и на хромосомах, а их мобильность и «конвейерная» структура способствуют диверсификации для получения новых вторичных метаболитов путем рекомбинации модулей внутри и между геномами. Считается, что природный резервуар мобильного генетического разнообразия для синтеза антибиотиков и устойчивости к ним отражает историю коэволюции между продуцентами и мишенями антимикробных соединений.
Коловратки - класс микроскопических, фильтрующих беспозвоночных, обитающих по всему миру, защищают себя от инфекций, используя «украденные» у бактерий гены для производства антибиотиков, говорится в статье группы специалистов из Оксфордского университета. Как показало исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, когда коловратки подвергаются воздействию грибковой инфекции, у них включаются сотни генов, которые они приобрели от бактерий и других микроорганизмов. «Когда мы расшифровали, что делают украденные гены, нас ждал сюрприз», - рассказал ведущий автор исследования Крис Уилсон. «Главные гены были инструкциями для производства химических веществ, которые, как мы думали, животные не могут производить - они выглядели как "рецепты" производства антибиотиков».
Предыдущие исследования показали, что коловратки собирали ДНК из окружающей среды на протяжении миллионов лет, но новое исследование - первое, в котором показано, что они используют эти гены для защиты от инфекций. «Эти сложные гены - некоторые из них не встречаются ни у каких других животных - были получены коловратками от бактерий, но прошли эволюцию уже в самих коловратках», - пояснил Уилсон. «Это повышает вероятность того, что коловратки производят противомикробные соединения, которые могут быть менее токсичными для животных, включая человека, чем те препараты, которые мы получаем из бактерий и грибков».
Как и другим животным, коловраткам необходимы свои способы борьбы с инфекциями, чтобы не оказаться в таком положении, как эта больная особь, которую захватил и убил грибок. Фото: C. G. Wilson, 2024.
Гены, которые коловратки получили от бактерий, кодируют нерибосомальные пептиды. «Следующий этап нашего исследования должен включать в себя идентификацию нескольких нерибосомальных пептидов, производимых коловратками, и установление условий, при которых синтез этих соединений может быть индуцирован», - сообщил Уилсон. Одна из проблем разработки новых лекарств заключается в том, что многие антибиотические вещества, производимые бактериями и грибами, токсичны или вызывают побочные эффекты. Если коловратки уже производят подобные вещества, они могут стать основой для создания лекарств, более безопасных для других животных, включая людей.
Большой вопрос заключается в том, почему коловратки - единственные животные, которые заимствуют эти полезные гены у микробов. «Мы думаем, что это может быть связано с еще одним странным фактом, касающимся этих коловраток - у них отсутствует половое размножение», - говорит Уилсон. Несмотря на десятилетия микроскопических наблюдений и описание сотен видов, ни самцы, ни сперматозоиды у коловраток не были обнаружены - размножение у коловраток происходит партеногенетическими яйцами, образующимися в результате модифицированного нерепродуктивного мейоза.
Среди эукариот наиболее важным механизмом генетического обмена является мейотическое скрещивание, при котором целые геномы перемешиваются посредством рекомбинации, сегрегации и ауткроссинга. Хотя мейотическая перетасовка имеет другие последствия, чем ГПГ, половой обмен также связан с биотическими конфликтами, поскольку он может ускорить адаптацию хозяина к патогенам, генерируя новые комбинации аллелей устойчивости. Если коэволюционирующие патогены распространены и вирулентны, теоретические выгоды от генетического обмена настолько существенны, что могут перевесить издержки, присущие половому размножению по сравнению с партеногенезом.
Таким образом, антагонистическая коэволюция может помочь объяснить, почему облигатно бесполые линии растений и животных, как правило, редки и недолговечны, несмотря на значительные преимущества. Эта так называемая «гипотеза красной королевы» опирается на ассоциации между рекомбинацией и иммунитетом, на динамику хозяин-патоген в смешанных половых и бесполых популяциях, а также на восприимчивость бесполых линий к патогенам.
(Концептуальная основа "гипотезы Красной королевы" заключается в том, что виды (или популяции) должны постоянно развивать новые адаптации в ответ на эволюционные изменения в других организмах, чтобы избежать вымирания. Термин заимствован из романа Льюиса Кэрролла «Алиса в зазеркалье», где Красная Королева сообщает Алисе, что «здесь, видите ли, нужно бежать со всех ног, чтобы оставаться на одном месте». Так и с организмами, чтобы не вымереть, может потребоваться множество эволюционных изменений - прим.ред.).
Неоднократные исследования показали, что геномы коловраток кодируют необычайно высокую долю генов, приобретенных горизонтально. Приблизительно 10% этих генов, по-видимому, были заимствованы из бактерий, грибов, растений и других источников. Эта оценка на порядок выше, чем для других животных, она справедлива для всех изученных до сих пор геномов коловраток и согласуется с различными методами обнаружения ГПГ.
Сравнение между видами коловраток показывает, что большинство событий ГПГ являются древними, а скорость приобретения генов составляет порядка одного гена на 100 000 лет. При таких темпах это явление было бы слишком медленным, чтобы сравниться с половой «перетасовкой», наблюдаемой у типичных эукариот. Тем не менее существует гипотеза, что в результате ГПГ появляются новые биохимические функции, которые помогают коловраткам адаптироваться к угрозам окружающей среды, как это происходит у бактерий. Приобретенные гены экспрессируются и включаются в метаболические механизмы.
К числу предполагаемых функций, выявленных на сегодняшний день, относятся устойчивость к высыханию, использование питательных веществ и восстановление повреждений ДНК. Однако глубокие ассоциации между генетическим переносом и коэволюцией заставляют предположить, что ГПГ может помогать коловраткам приобретать гены с функциями резистентности к патогенам. Единичные примеры горизонтально приобретенных генов, способствующих иммунитету, известны у беспозвоночных, но огромный масштаб ГПГ у коловраток и преобладание бесполого размножения могут особенно благоприятствовать приобретению необычных способов сопротивления микробным врагам. Если это так, то это может частично компенсировать вызов, с которым теоретически сталкивается бесполое размножение со стороны патогенов.
Авторы исследовали эту гипотезу, проверив, не проявляют ли горизонтально приобретенные гены потенциального обогащения в реакции коловраток на инфекции. Как и все животные, коловратки подвергаются нападению целого ряда естественных врагов, включая более 60 видов вирулентных грибковых патогенов. Они могут уничтожить популяции за несколько недель, значительно снизив их численность в естественной среде обитания. Однако почти ничего не известно о вариациях восприимчивости среди коловраток или о том, как эволюционируют и сохраняют эффективность лежащие в их основе механизмы при редком или отсутствующем половом размножении.
«Мы наблюдали, как коловратки использовали один из этих генов против заболевания, вызванного грибком, и животные, пережившие инфекцию, производили в 10 раз больше антигрибкового вещества, чем те, которые погибли, что указывает на то, что он помогает в борьбе с инфекцией», - рассказал Уилсон. Ученые считают, что коловратки могут дать важные подсказки в поисках лекарств для лечения человеческих инфекций, вызванных бактериями или грибками. «Гены, которые используют коловратки, выглядят иначе, чем известные гены микробов», - говорит Уилсон. «Они такие же длинные и сложные, но части кода ДНК изменены. Мы думаем, что это изменение произошло в процессе эволюции для получения новых и различных химических веществ в организме коловраток. Это интересно, потому что может подсказать идеи для будущих антибиотиков».
