Одни разновидности светящейся бактерии Vibrio fischeri живут в симбиозе с рыбами, другие — с кальмарами. Оказалось, что способность заселять светящиеся органы кальмаров определяется одним-единственным бактериальным геном. Пересадка этого гена от «кальмарной» разновидности мельчайшего организма его «рыбной» разновидности приводит к тому, что последняя приобретает способность жить в симбиозе с кальмарами.
По-видимому
Одни разновидности светящейся бактерии Vibrio fischeri живут в симбиозе с рыбами, другие — с кальмарами. Оказалось, что способность заселять светящиеся органы кальмаров определяется одним-единственным бактериальным геном. Пересадка этого гена от «кальмарной» разновидности мельчайшего организма его «рыбной» разновидности приводит к тому, что последняя приобретает способность жить в симбиозе с кальмарами.
По-видимому, сначала светящаяся бактерия жила в содружестве только с рыбами, а позже заполучила способом горизонтального переноса новый ген, который позволил ей «подружиться» также и с кальмарами.
Симбиоз с различными бактериями очень широко распространен как у животных, так и у растений (см. ссылки внизу). Очень часто многоклеточный организм не получает симбионтов автоматом от собственных родителей, а должен сам каким-то образом найти их в окружающей среде и «заразиться» ими поначалу своей жизни. Беря во внимание большущее богатство бактерий во всех природных местообитаниях, просто понять, что в такой ситуации главное значение приобретает точность «взаимного узнавания» симбионта и обладателя. Как они находят друг друга, что позволяет им не ошибиться в выборе напарника?
Аналогичный вопрос встает и в отношении паразитических бактерий, у каких время от времени очень близкие формы паразитируют на совершенно разных хозяевах. Например, одна из разновидностей бактерии Salmonella enterica заражает только людей, а другая имеет широкий круг хозяев — от приматов до мышей. При всем этом геномы обеих разновидностей очень похожи друг на друга. Все пробы найти в их геномах то ключевое различие, от которого зависит выбор обладателя, пока не увенчались успехом. Несколько лучше дело обстоит с исследованием симбиотических систем, в каких оба участника (а не только бактерия) заинтересованы в точном узнавании напарника. Например, удалось расшифровать механизм взаимного узнавания в симбиотической ассоциации растений с азотфиксирующими бактериями. В этом случае главную роль играют выделяемые бактериями сигнальные вещества, которые определенным образом влияют на работу генов в клетках корня растения-хозяина.
Американские биологи смогли частично расшифровать механизм выбора напарника еще у одной пары симбионтов — тихоокеанского кальмара Euprymna scolopes и светящейся бактерии Vibrio fischeri. Бактерии живут в особом «светящемся органе» кальмара, который расположен на нижней стороне тела в мантийной полости.
Бактерии Vibrio fischeri дружат не только с кальмарами, ну и с рыбой Monocentris japonica, у которой на нижней челюсти имеются две калоритные «фары», помогающие рыбе охотиться в темноте. Для того чтобы понять, от каких генов зависит выбор бактерией 1-го из 2-ух хозяев — кальмара или рыбы, — необходимо было сравнить геномы 2-ух разновидностей этой бактерии.
Геном «кальмарной» разновидности Vibrio fischeri был прочтен ранее; геном «рыбной» породы прочли создатели обсуждаемой статьи. Геномы 2-ух штаммов светящегося мельчайшего организма оказались очень похожими (90% сходства по набору генов и 98,8% — по аминокислотным последовательностям белков).
Исследователи отыскали, что один из тех генов, которые активно работают у Vibrio fischeri в период заселения светящихся органов молодых кальмаров, в геноме «рыбного» штамма отсутствует. Следующие исследования показали, что этот ген (его условное обозначение — rscS) взаправду играет главную роль в содружестве бактерий с кальмарами. Ген rscS кодирует белок-рецептор, который располагается на клеточной мембране, реагирует на какие-то внешние сигналы и передает их внутрь клетки, активизируя другой регуляторный белок — транскрипционный фактор SypG. В свою очередь, SypG провоцирует активность группы генов, которые кодируют белки, нужные для синтеза особых полисахаридов, которые выводятся из бактериальной клетки и располагаются на ее наружной поверхности. От этих полисахаридов зависит способность бактерий плодиться в слизи, выделяемой светящимся органом кальмара.
Чтобы проверить способность разных штаммов V. fischeri вступать в симбиоз с кальмарами, исследователи обмывали маленьких, не так издавна вылупившихся в стерилизованной воде кальмарчиков растворами, содержащими различные разновидности светящегося мельчайшего организма. Было испытано в общей трудности 12 «кальмарных» и 10 «рыбных» линий, при всем этом «кальмарные» полосы были взяты от 2-ух разных видов кальмаров. Как и следовало ожидать, все «кальмарные» полосы успешно прижились в светящихся органах кальмаров (кальмары скоро стали светиться), тогда как из «рыбных» линий это смогла сделать только одна. Позже все полосы были испытаны на наличие гена rscS. Оказалось, что этот ген встречается в 2-ух аллельных вариантах (rscSA и rscSB), при всем этом только аллель rscSA позволяет бактерии вступить в симбиоз с кальмаром. Непосредственно этот вариант гена находится у всех «кальмарных» штаммов и у того «рыбного» штамма, который сумел сделать дела с кальмаром. У всех других «рыбных» штаммов либо находится 2-ой вариант гена (rscSB), либо ген совершенно отсутствует (как у той «рыбной» полосы, чей геном был полностью прочтен создателями).
Чтобы убедиться в том, что наличие аллеля rscSA у V. fischeri является необходимым и достаточным условием симбиоза с кальмарами, исследователи провели ряд генно-инженерных тестов. Они выводили из строя этот ген у «кальмарных» штаммов — и бактерии теряли способность жить в содружестве с кальмарами. Они внедряли ген в «рыбные» штаммы — и они получали эту способность. Таким образом, предположение полностью подтвердилось.
К огорчению, рыбу Monocentris japonica пока не удается вывести из икры в лаборатории, и поэтому нет возможности получить заблаговременно стерильных мальков. Это не позволило исследователям проверить, как влияет ген rscS на способность светящейся бактерии вступать в симбиоз с рыбами.
На базе сравнения нуклеотидных последовательностей 3-х других генов исследователи выстроили эволюционное древо изученных штаммов мельчайшего организма. Судя по этому древу, сначала V. fischeri не имел гена rscS и жил в симбиозе только с рыбами. Позже один из штаммов мельчайшего организма заполучил этот ген. Все штаммы, имеющие ген rscS, образуют на древе монофилетическую (происходящую от 1-го предка) группу. Это означает, что ген был приобретен только один раз. Сначала он существовал только в одном варианте — rscSA. Некоторые из потомков того мельчайшего организма, который впервой обзавелся новым геном, покинули собственных прежних хозяев — рыб — и перешли к симбиозу с кальмарами. Позже кое-кто из их возвратился к симбиозу с рыбами, при всем этом это возвращение сопровождалось переменами в гене rscS. Так появился 2-ой вариант этого гена — rscSB, который, может быть, каким-то образом улучшает «взаимопонимание» меж микробами и рыбами, хотя прямую проверку этого гипотезы выполнить не удалось из-за упомянутой выше трудности с лабораторным разведением Monocentris japonica.
Откуда же взялся у светящихся бактерий новый ген rscS? Теоретически он мог быть приобретен 2-мя методами. Либо некоторый другой ген в геноме бактерии удвоился, и одна из его копий позже стала делать новейшую функцию, либо ген был взят у другого организма способом горизонтального генетического обмена. Вероятнее 2-ой вариант, потому что в геноме светящегося мельчайшего организма нет других генов, сколько-нибудь похожих на rscS (другими словами таких генов, от которых rscS в принципе мог бы произойти способом удвоения).
Создатели отмечают, что это 1-ый известный случай, когда главным «действующим лицом» во взаимном узнавании симбионтов оказался регуляторный ген. Как говорилось выше, этот ген запускает синтез специфичных полисахаридов в ответ на какие-то внешние сигналы, природа которых пока не известна. Стопроцентно может быть, что в роли этих сигналов выступают вещества, выделяемые кальмаром. Сама же система синтеза полисахаридов имелась у микробов задолго до приобретения гена rscS. Не исключено, что у «рыбных» штаммов она врубается в ответ на вещества, выделяемые рыбами, но для проверки этого гипотезы необходимы дополнительные исследования.
Источник : Mark J. Mandel, Michael S. Wollenberg, Eric V. Stabb, Karen L. Visick, Edward G. Ruby. A single regulatory gene is sufficient to alter bacterial host range // Nature. Advance online publication 1 February 2009.
(Александр Марков elementy.ru)
Похожие статьи:
