Большая часть разнообразия бактериальных геномов обусловлена горизонтальным переносом генов (ГПГ), в результате которого клетки присоединяются к общему генофонду, пересекающему таксономические границы.
Доступность генов в этом пуле зависит от местной среды, давления отбора и плотности популяции. Таким образом, эволюция бактерий посредством ГПГ является отражением динамики и взаимодействий в сообществе. Сетевые анализы ГПГ эффективно исследуют сложные бактериальные сообщества в масштабах, выходящих за рамки отбора образцов из одной среды, но дают мало рекомендаций по взаимодействию с ними. Знание того, какие виды где обитают, и как с ними взаимодействовать, необходимо для решения давних проблем в реальных приложениях, таких как защита созданных штаммов или их внедрение в целевые сообщества (например, биоконсервация или пробиотическая терапия).
Системы токсин-антитоксин (ТА) служат генетически закодированными антибиотиками для регулирования микробных популяций. Как правило, стабильные токсины объединяются с нестабильными антитоксинами, образуя системы, которые подавляют или убивают своего хозяина при неблагоприятных условиях. Вирусная инфекция, конкуренция плазмид и другие последствия ГПГ естественным образом запускают системы ТА. Синтетические триггеры, такие как неудачное клонирование или экспрессия, могут быть включены для индивидуального отбора. Однако практическое использование систем TA ограничено их неравномерным распространением в природе. Например, сконструированные штаммы-самоубийцы могут быть спасены местным антитоксином, в то время как токсины, полученные в результате ГПГ, могут уничтожить стабильные пробиотические микробы.
Об эволюции и распространении TA-систем известно мало. Несмотря на их повсеместное распространение и значимость для физиологии клетки, TA-системы, как правило, не являются консервативными даже в пределах одного вида. С точки зрения клетки-хозяина их действия кажутся парадоксальными: системы TA могут убивать хозяев, но при этом спасать хозяев от фагов и, что противоречиво, и от других стрессов. Мы предполагаем, что эти противоречивые действия происходят от мобильных генетических элементов, которые получают фитнес-преимущества как от репликации в хозяине, так и от горизонтального переноса.
Независимость от конкретных хозяев поддерживает сохранение TA, даже ценой ущерба для текущего хозяина. Действительно, большинство систем ТА связаны с мобильными генетическими элементами, а хромосомные ТА часто встречаются на геномных островах, подвергаясь генетическому распаду, как бы оторванные от своего первоначального давления отбора. Сети ГПГ могут показать, как системы ТА развиваются и распространяются, а системы ТА могут служить общей основой для влияния на взаимодействие сообществ через ГПГ.
Только недавно стали возможны крупномасштабные сравнительные исследования мобильных генетических элементов, что дает возможность получить представление об эволюции и распространении TA. В данном исследовании мы изучили созданную плазмидную сеть ГПГ с помощью Hidden Markov Models (HMMs) из базы данных TASmania TA. Всего было обнаружено более 40 000 токсинов и антитоксинов, причем ТА присутствуют практически во всех сообществах, а большинство плазмид имеют размер более 10 кб.
Мы показали, что сообщества ГПГ имеют уникальные сигнатуры ТА, и принадлежность плазмид к ним может быть точно предсказана на основе общих систем ТА. Хотя таксоны хозяев и мобилизационная релаксаза слабо коррелируют с TA- сигнатурой плазмиды, они могут в значительной степени определять общий пул TA. Обнаружение порядка в распределении систем ТА проясняет давние вопросы об их эволюции и обеспечивает широкий контекст для их применения в естественных условиях сообщества.
Исходя из распространенности и частоты ТА, мы можем предсказать эффективность ТА, ареал обитания и экологию хозяина для рационального проектирования сообществ. Эта работа проясняет эволюцию систем TA и открывает общие механизмы манипулирования взаимодействием сообществ через совместимость TA.
