Первые формы жизни на Земле в итоге пошли по одному из трех различных путей, образовав домены Eukarya, Bacteria и Archaea. Эти домены развивались по отдельности в течение миллиардов лет.
Последние данные свидетельствуют о том, что границы между тремя доменами не так уж очевидны. Исследования показывают, что представители разных доменов могут передавать гены туда и обратно, потенциально ускоряя эволюцию. Как они это делают, остается неизвестным, но исследование, опубликованное 16 ноября в журнале Science Advances, дает возможную подсказку: впервые сообщается, что археи имеют интегроны - механизмы обмена генами, которые, как считалось ранее, существуют только у бактерий. Это может позволить микроорганизмам из двух доменов обмениваться информацией и мгновенно приобретать новые функции.
"Мы давно знаем, что существует множество генов, которыми обмениваются бактерии и археи, - поясняет Ольга Жаксыбаева, эволюционный биолог из Дартмутского колледжа, не принимавшая участия в исследовании. Если интегроны окажутся широко распространенными в археях, "это может стать для микробов еще одним механизмом обмена нужными им признаками".
Обмен генами может помочь бактериям выжить в новых, суровых условиях или укрепить их симбиотические отношения с растениями. Соавтор исследования Тимоти Гэли, микробиолог из Университета Маккуори в Сиднее, говорит, что его и его коллег всегда интересовало, как интегроны позволяют бактериям приобретать новые, иногда невероятно полезные черты, такие как резистентность к антибиотикам.
Было неизвестно, есть ли интегроны у архей, отчасти потому, что их трудно изучать, говорит Гэли, поскольку они живут в различных труднодоступных средах, от нашего кишечника до грязевых, сернистых горячих источников. Но последние достижения в области геномного секвенирования, в частности, метод, называемый метагеномной сборкой геномов (MAG), позволил исследователям собрать воедино геномы архей из образцов окружающей среды.
Гэли и его сотрудникам показалось интересным, могут ли прокариоты иметь схожие механизмы обмена генами со своими далекими бактериальными родственниками. Если очень разные группы организмов, такие как бактерии и археи, обмениваются генами, это потенциально может помочь "микробу, получившему новую функцию, занять новую нишу, что может повлиять на здоровье человека, животных и растений", - добавляет он.
"Интегроны - это важный фактор в кризисе резистентности к антибиотикам... Есть много генных кассет, которые являются генами вирулентности или генами резистентности к антибиотикам, которые могут негативно повлиять на нас. Например, некоторые метаногенные археи человека обладают высокой резистентностью к антибиотикам".
Бактерии обмениваются генами в виде генной кассеты, которая состоит из одного гена и сайта рекомбинации генов под названием AttC. Когда они сталкиваются со стрессовыми обстоятельствами, бактерии обмениваются этими кассетами, как музыкальными дисками, вставляя и вынимая их из своих геномов. Чтобы начать процесс переноса ДНК, бактерии используют интегразу интегрина (IntI), белок из семейства тирозинкиназ. Intl вызывает рекомбинацию между сайтом AttC генной кассеты и областью генома бактерии, называемой сайтом прикрепления интегрона, или AttI. В итоге бактерии имеют в своем геноме длинный ряд генных кассет, скрепленных между собой сайтами AttC.
В бактериальном геноме интегроны состоят из гена белка IntI, за которым следует ряд интегрированных генных кассет. В новом исследовании ученые проанализировали все имеющиеся в открытом доступе геномы архей, 95 % из которых были MAG. Они искали AttC-подобные последовательности и последовательности, кодирующие IntI-подобные белки. По словам исследователей, они не нашли способа предсказать последовательности AttI и поэтому не искали их. Из почти 6700 просканированных архейских геномов исследователи обнаружили 75, охватывающих девять фил, которые имели признаки интегронов. Все архейские интегроны имели ту же структуру и компоненты, что и бактериальные интегроны. На основе найденных последовательностей исследователи синтезировали архейские AttC-содержащие кассеты и обнаружили, что бактерии E. coli при воздействии на них включали эти кассеты в свои геномы.
"Всегда интересно обнаружить [горизонтальный перенос генов] в новых организмах", - комментирует Жаксыбаева. Она добавляет, что в будущем было бы полезно иметь полный геном культивируемой археи, а не сконструированный MAG, как это было в данном исследовании, и начать собирать воедино механизм, лежащий в основе переноса генов. Ее особенно интересует, есть ли у архей в кишечнике человека интегроны, "и участвуют ли они в обмене резистентностью к антибиотикам".
