Отправляет email-рассылки с помощью сервиса Sendsay

"Элементы": новости науки

Подписаться Бесплатная «Золотая» новостная рассылка Подписчиков 12.981 RSS
←   Сентябрь 2007   →
 1
 2
 3
 4
 5
 6
 7
 8
 9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30


За последние 60 дней ни разу не выходила


Сайт рассылки: http://elementy.ru
Открыта: 09-05-2006

Автор
Редакция сайта "Элементы"

Статистика

12.981 подписчиков
+9 за неделю
←   Все выпуски   →

Животные обмениваются генами с паразитическими бактериями


«Хронология далекого прошлого»

Хронология далекого прошлого

18 тысяч лет назад...
330 миллионов лет назад...
Откуда берутся эти цифры? Насколько им можно доверять?

Статья доктора биологических наук Александра Маркова открывает на «Элементах» раздел Методология науки

Животные обмениваются генами с паразитическими бактериями

05.09.2007

Яйцо осы Trichogramma kaykai с множеством бактерий Wolbachia (ярко окрашенные точки). Вольбахии концентрируются в удлиненном кончике яйца, из которого впоследствии разовьются органы размножения осы. Бактерии попадут в репродуктивные органы, затем — в яйцеклетки, обеспечив себе гарантированный переход в следующее поколение насекомых-хозяев. Фото с сайта www.nsf.gov
Яйцо осы Trichogramma kaykai с множеством бактерий Wolbachia (ярко окрашенные точки). Вольбахии концентрируются в удлиненном кончике яйца, из которого впоследствии разовьются органы размножения осы. Бактерии попадут в репродуктивные органы, затем — в яйцеклетки, обеспечив себе гарантированный переход в следующее поколение насекомых-хозяев. Фото с сайта www.nsf.gov

Межвидовой обмен генами, или горизонтальный перенос (lateral gene transfer), широко распространен в мире прокариот (бактерий и архей). Считалось, что для высших организмов, особенно многоклеточных животных и растений, межвидовой обмен генами не характерен и встречается лишь как редкая аномалия. Вопреки этим представлениям оказалось, что гены и даже целые геномы паразитических бактерий иногда могут вставляться в хромосомы животных-хозяев. В геномах 4 видов насекомых и 4 видов круглых червей обнаружены фрагменты генома внутриклеточной бактерии Wolbachia, причем в ряде случаев геном бактерии оказался вставлен в геном хозяина практически целиком. Инкорпорация бактериальной ДНК может быть одним из способов приобретения новых генов и признаков в эволюции высших организмов.

Вольбахия — паразитическая бактерия, обитающая в клетках многих наземных и пресноводных беспозвоночных (членистоногих и круглых червей филярий). Вольбахию называют микробом-манипулятором, потому что она научилась при помощи специальных регуляторных белков управлять размножением и развитием своим хозяев. Например, она умеет превращать самцов в самок, избирательно убивать зародышей мужского пола, повышать плодовитость зараженных самок и даже делать бесплодными самок, которые ею не заражены (о том, как ей это удается, можно прочесть в популярных статьях, ссылки на которые приведены ниже). Вольбахия паразитирует в клетках беспозвоночных уже более 100 миллионов лет, да и ее предки — бактерии из группы риккетсиевых — тоже были внутриклеточными паразитами. За это время вольбахия и ее хозяева успели п! риспособиться друг к другу. В ряде случаев вольбахия даже повышает жизнеспособность своих хозяев, то есть выступает в роли полезного симбионта. При таком долгом и тесном сожительстве было бы даже странно, если бы какие-то фрагменты генома вольбахии время от времени не попадали в ядра клеток хозяина и не включались бы в хозяйский геном. Однако до сих пор доказать это никому не удавалось.

Довольно часто в ходе выполнения проектов по прочтению геномов высших организмов (особенно насекомых) исследователи натыкались на фрагменты бактериальных последовательностей ДНК, но это обычно интерпретировалось как результат загрязнения: предполагали, что при выделении ДНК из клеток исследуемого организма в пробы попало небольшое количество бактериальной ДНК. И соответствующие участки ДНК просто не учитывались при «сборке» генома из прочтенных фрагментов.

Большая группа ученых из различных научных учреждений США предприняла широкомасштабный анализ таких «загрязнений» с целью найти реальные случаи переноса генов вольбахии в геномы животных-хозяев. Ученые выделяли ДНК из разных видов насекомых и филярий, а также анализировали накопленные в Генбанке данные по нуклеотидным последовательностям различных беспозвоночных. Следует отметить, что многие прочтенные «вчерне» геномы до сих пор не подвергались процедуре окончательной сборки; они хранятся в компьютерных базах в виде набора разрозненных, частично перекрывающихся обрывков разной длины. Если перенос генов от внутриклеточных бактерий к хозяевам действительно имеет место, среди этих обрывков могут обнаружиться такие куски ДНК, которые содержат одновременно и эукариотические, и бактериальные участки. Именно такие обрывки и интересовали исследователей.!

В результате для четырех видов насекомых и четырех видов филярий удалось получить бесспорные доказательства внедрения генов вольбахии в геном хозяина; еще у трех видов это можно предполагать с большой долей вероятности.

Наибольшее внимание авторы уделили тропической плодовой мушке Drosophila ananassae, потому что в геноме некоторых представителей этого вида обнаружились полные или почти полные копии генома вольбахии. Получается, что в ядрах клеток этих мушек содержится полная генетическая информация сразу о двух разных организмах!

Для проверки этого результата ученые провели целый ряд специальных тестов. Мушек вылечили от вольбахии антибиотиком и убедились, что лечение привело к полному исчезновению внутриклеточных паразитов (см. рис.). Из вылеченных мух снова выделили ДНК. Оказалось, что полный набор генов вольбахии по-прежнему присутствует в пробах.

А — вольбахии (окрашены желтым) в яичнике мухи D.ananassae до лечения антибиотиком; B — после лечения бактерии отсутствуют. Фото из дополнительных материалов к статье в Science
А — вольбахии (окрашены желтым) в яичнике мухи D.ananassae до лечения антибиотиком; B — после лечения бактерии отсутствуют. Фото из дополнительных материалов к статье в Science

Затем проверили наследуемость этих генов по мужской линии. Дело в том, что вольбахия, как и другие цитоплазматические бактерии (и как митохондрии) передается потомству только по материнской линии, вместе с цитоплазмой яйцеклетки. В сперматозоиды вольбахия не проникает — они для этого слишком малы. Поэтому потомство зараженной самки всегда оказывается зараженным, потомство здоровой — здоровым, а от отца это не зависит. Однако если геном вольбахии действительно встроился в геном хозяина, то он должен передаваться по отцовской линии точно так же, как и по материнской, — вместе с ядерными хромосомами.

Чтобы проверить это, скрестили вылеченных самцов D.ananassae, в хромосомы которых встроился геном вольбахии, со здоровыми самками, в геноме которых гены вольбахии отсутствовали. В ДНК потомства обнаружились гены вольбахии, что и стало решающим доказательством горизонтального переноса генов от паразита к хозяину.

Авторы также показали, что многие гены, заимствованные мухой у бактерии, активно работают (то есть транскрибируются, «считываются»). Это доказывается наличием в клетках насекомых, вылеченных от вольбахии, но имеющих ее гены в своем геноме, соответствующих молекул РНК. Таким образом, насекомое может использовать гены, полученные от бактерии, для синтеза белков (хотя сами бактериальные белки из этих клеток выделены не были — это довольно сложно технически).

Полученные результаты показывают, что межвидовой обмен генами может играть более существенную роль в эволюции животных, чем считалось ранее. Источниками нового генетического материала для животных могут служить не только вирусы и транспозоны, что было известно и ранее, но и бактерии. Впрочем, пока трудно сказать, насколько широк спектр бактерий, гены которых могут быть заимствованы животными. Ведь вольбахия — микроб во многих отношениях уникальный. Геном вольбахии, несмотря на свой малый размер, содержит огромное количество всевозможных мобильных элементов и повторов, что, по-видимому, придает ему повышенную пластичность. Не исключено, что эта особенность облегчает его встраивание в хромосомы хозяев.

Источник: Julie C. Dunning Hotopp et al. Widespread Lateral Gene Transfer from Intracellular Bacteria to Multicellular Eukaryotes // Science. Published Online August 30, 2007.

См. также о вольбахии (материалы расположены в порядке убывания популярности и возрастания научности):
1) А. В. Марков. Антимужской микроб // «Что нового в науке и технике». 2005. № 12.
2) А. В. Марков, И. А. Захаров-Гезехус. Бактерия вольбахия — повелитель мух // Электронная публикация на сайте «Проблемы эволюции».
3) А. В. Марков, И. А. Захаров-Гезехус. Половое размножение насекомых регулируется цитоплазматическими бактериями // Онтогенез. 2005. Т. 36. № 4. С. 280–291.

О горизонтальном переносе генов см. также:
1) Горизонтальный перенос генов и его роль в эволюции.
2) На что похожа эволюция: на ветвящееся дерево или на сеть?.
3) Горизонтальный перенос генов приводит к новому режиму эволюции, «Элементы», 05.02.2007.
4) У растений обнаружен межвидовой обмен генами, «Элементы», 22.12.2005.
5) Древние млекопитающие заразились плацентой, «Элементы», 15.12.2005.

Александр Марков

Эта новость на «Элементах»
 

В избранное