Если гены - это ноты, то белки - это мелодия.
В живых организмах гены транскрибируются и переводятся в белки, которые выполняют все функции, необходимые для поддержания жизни и здоровья клетки и всего организма. Репертуар генов, кодирующих белки, позволяет организму процветать в окружающей среде, а также адаптироваться к изменениям внешних условий. Если у человека насчитывается около 19 000 генов, кодирующих белки, то у бактерий - лишь малая часть от этого числа, обычно не более тысячи.
Несмотря на относительно небольшой размер генома, бактерии могут подвергаться процессу, известному как редукция генома, в результате которого они избавляются от участков генома, не являющихся строго необходимыми для выживания. В процессе редукции генома бактерии могут избавляться как от белково-кодирующих, так и от некодирующих участков генома, что уменьшает общий размер, а также функциональное разнообразие их генома.
Уменьшение и без того небольшого генома может показаться безрассудством, но есть ситуации, когда это имеет смысл. Теория «рационализации (упорядочивания) генома» предполагает, что бактерии и другие прокариоты, имеющие меньшие геномы, в результате получают адаптивное преимущество. Это преимущество может быть особенно значительным в условиях дефицита питательных веществ, когда безжалостное вытеснение ненужных генов может помочь бактерии обогнать своих соседей за счет повышения эффективности работы клетки.
Редукция генома обычно происходит, когда бактерия оказывается в относительно постоянной среде с небольшим количеством внешних стрессовых факторов - в этот момент арсенал ее генов, используемых для борьбы с самыми разными ситуациями, редко используется и, по большей части, становится менее значимым. Когда в генах возникают мутации, не влияющие на жизнеспособность бактерии, эти мутации сохраняются и со временем могут привести к генной эрозии, когда гены накапливают инактивирующие мутации. В бактериях также могут происходить крупномасштабные делеции, которые быстро уменьшают размер генома, при условии, что удаленные гены не имеют первостепенного значения для выживания бактерии.
Одним из подходящих условий для упорядочивания генома является открытый океан. Там бактерии клады SAR11 играют важную роль в морском углеродном цикле, преобразуя углекислый газ (CO2), захваченный фотосинтезирующими организмами, обратно в атмосферный CO2. Бактерии SAR11 также имеют довольно маленькие геномы, состоящие примерно из 600 генов, с характерными признаками рационализации генома, такими как очень малое количество геномного «беспорядка», например, псевдогенов (нефункциональных последовательностей ДНК, которые похожи на функциональные гены, расположенные в других частях генома). У бактерий SAR11 также отсутствуют гены для биосинтеза некоторых важных кофакторов ферментов. Это довольно необычно для свободноживущего организма, так как ему пришлось бы искать альтернативные пути получения этих кофакторов. Действительно, у бактерий SAR11, вероятно, развились сильные способности к утилизации кофакторов или их предшественников, таких как тиамин (витамин B1). Исследователи полагают, что оптимизация генома SAR11 позволила максимально увеличить эффективность организма для клеточной репликации.
Чем меньше геном, тем меньше нужно реплицировать; маленькие геномы позволяют экономить на углероде, азоте и фосфоре, которые могут быть ограничены в открытом океане.
Однако не все морские бактерии имеют упорядоченные геномы и ученым еще предстоит понять, почему такие процессы влияют на одних микробов, а не на других. Процесс упорядочивания наблюдается непоследовательно - хотя примеры встречаются во многих средах обитания, не все бактерии, обитающие в данной среде или имеющие сходную историю жизни, имеют упорядоченные геномы, что ставит вопрос о том, почему это вообще происходит. Какие факторы отбора способствуют упорядочиванию? Это может быть трудно отделить от других факторов, которые важны в различных средах обитания и группах бактерий.
Одна из сред где редукция генома особенно актуальна и хорошо изучена - это симбиозы насекомых с бактериями. Многие виды насекомых зависят от эндосимбиотических бактерий, с которыми они коэволюционировали на протяжении тысячелетий, причем таким образом, что и насекомое и бактерия сильно зависят друг от друга. В то время как SAR11, по-видимому, оптимизировался для повышения эффективности репликации генома в открытом океане где строительные блоки для нуклеиновых кислот и белков могут быть труднодоступны, симбионты насекомых, похоже, теряют гены, которые становятся неактуальными для комфортной жизни внутри хозяина.
Насекомые в значительной степени зависят от своих бактериальных симбионтов в плане получения питательных веществ, которых не хватает в их рационе, например, определенных аминокислот. Хотя геномы насекомых-симбионтов могут быть очень маленькими, они сохраняют гены, необходимые для обеспечения этих питательных веществ, в обмен на проживание и питание. В то же время они часто теряют гены, связанные с реакцией на внешние стрессы, поскольку среда хозяина относительно постоянна и не подвержена стрессам. Они также могут потерять катаболические гены, используемые для расщепления источников углерода, поскольку часто получают простые источники углерода от своих насекомых-хозяев.
Вычислительные модели стали умным способом изучения вопроса о причинах эволюции упорядоченности. Одна из моделей предполагает, что ключевым фактором, влияющим на формирование упорядоченности, является взаимодействие размеров популяции и скорости мутаций; структура генома меняется в зависимости от величины влияния того или иного фактора, что позволяет сделать вывод о том, почему упорядоченный геном данного организма мог развиться именно таким образом. Различные значения размеров популяции и скорости мутаций приводят к различным результатам для генома, в зависимости от того, кодирующие или некодирующие гены находятся в фокусе внимания.
Например, геном Buchnera aphidicola, симбионта тли, сохранил кодирующую часть своего генома, но значительно сократил некодирующие промежуточные последовательности. С помощью модели упорядочивания это можно объяснить увеличением скорости мутаций, пропорциональным уменьшению численности популяции, которое организм должен был испытать, когда он переселился в своего насекомого-хозяина и оказался отрезанным от внешнего мира. Аналогичным образом, близкий родственник SAR11, Prochloroccocus, также имеет упорядоченный геном. Похоже, что в процессе эволюции Procholorococcus пережил большие размеры популяции и несколько повышенный уровень мутаций, поскольку его геном характеризуется потерей как кодирующих, так и некодирующих последовательностей, хотя и с перекосом в сторону потери некодирующих последовательностей. Преимущество, вероятно, аналогично преимуществу SAR11, учитывая, что эти два родственника обитают в открытом океане.
Упорядочение генома не обходится без последствий. Среди генов, которые отсутствуют у представителей клада SAR11, есть гены, участвующие в контроле цикла роста и деления клетки. В недавнем препринте говорится, что при воздействии стрессовых факторов, таких как избыток питательных веществ или высокая температура, у репрезентативного штамма SAR11 наблюдается торможение роста и анеуплоидия, то есть клетки имеют ненормальное количество хромосом. Обычно у бактерий одна круговая хромосома, но у штамма SAR11, подвергшегося стрессу, их было 2, а то и больше. Здесь имеет место компромисс - после миллионов лет адаптации к разбавленным питательными веществами, но стабильным условиям океана, некоторые бактерии SAR11, похоже, рационализировали свои геномы до такой степени, что не могут должным образом противостоять «новым» стрессовым факторам. Похоже, что штамм SAR11 пожертвовал гибкостью ради доминирования, оказавшись в числе самых распространенных организмов в открытом океане. Примечательно, что некоторые стрессовые факторы могут усилиться в результате изменения климата, и пока неясно, как это повлияет на будущий успех микроба.
Помимо экологического значения для успешного существования бактерий в различных средах, концепция уменьшенных геномов привела к другим интересным начинаниям. Одно из них - создание «минимальной клетки» с минимально возможным геномом, которая может дать представление о фундаментальной биологии, а также использоваться в качестве организма-шасси для биотехнологических приложений. Исследования минимальных клеток поднимают вопрос о важности в контексте, поскольку различные гены могут быть важными или неважными для выживания, в зависимости от среды, в которой находится бактерия. Однако изучение редукции генома и существенности генов может также дать представление о процессах, критически важных для сохранения или даже возникновения жизни, что является не менее интересным предметом исследования.
