|
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 приспособиться 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.
|
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.
