Симбиоз кальмаров со светящимися бактериями зависит от единственного гена

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 микроба 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 затем приобрела путем горизонтального переноса новый ген, который позволил ей «подружиться» также и с кальмарами.

Симбиоз с различными микроорганизмами чрезвычайно широко распространен как у животных, так и у растений. Очень часто многоклеточный организм не получает симбионтов автоматически от своих родителей, а должен сам каким-то образом найти их в окружающей среде и «заразиться» ими в начале своей жизни. Учитывая огромное разнообразие микроорганизмов во всех природных местообитаниях, легко понять, что в такой ситуации первостепенное значение приобретает точность «взаимного узнавания» симбионта и хозяина. Как они находят друг друга, что позволяет им не ошибиться в выборе партнера?

Аналогичный вопрос встает и в отношении паразитических бактерий, у которых порой 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 грызунов. При этом геномы обеих разновидностей чрезвычайно похожи друг на друга. Все попытки найти в их геномах то ключевое различие, от которого зависит выбор хозяина, пока не увенчались успехом. Несколько лучше дело обстоит с изучением симбиотических систем, в которых оба участника (а не только бактерия) заинтересованы в точном узнавании партнера. Например, удалось расшифровать механизм взаимного узнавания в симбиотической ассоциации растений с азотфиксирующими бактериями (см.: Н. А. Проворов, Е. А. Долгих. Метаболическая интеграция организмов в системах симбиоза). В этом случае ключевую роль играют выделяемые бактериями сигнальные вещества, которые определенным образом влияют на работу генов в клетках корня растения-хозяина.

Американские биологи сумели частично расшифровать механизм выбора партнера 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, но и с рыбой Monocentris japonica, у которой на нижней челюсти имеются две яркие «фары», помогающие рыбе охотиться в темноте. Для того чтобы понять, от каких генов зависит выбор бактерией одного из двух хозяев — кальмара или рыбы, — необходимо было сравнить геномы двух разновидностей этой бактерии.

Геном «кальмарной» разновидности Vibrio fischeri был прочтен ранее; геном «рыбной» породы прочли авторы обсуждаемой статьи. Геномы двух штаммов светящегося микроба оказались весьма сходными (90% сходства по набору генов и 98,8% — по аминокислотным последовательностям белков).

Исследователи обнаружили, что один из тех генов, которые активно работают у Vibrio fischeri в период заселения светящихся органов молодых кальмаров, в геноме «рыбного» штамма отсутствует. Дальнейшие исследования показали, что этот ген (его условное обозначение — rscS) действительно играет ключевую 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 стимулирует активность группы генов, которые кодируют белки, необходимые для синтеза особых полисахаридов, которые выводятся из бактериальной клетки и располагаются на ее наружной поверхности. От этих полисахаридов зависит способность бактерий размножаться в слизи, выделяемой светящимся органом кальмара.

Чтобы проверить способность разных штаммов V. fischeri вступать в симбиоз с кальмарами, исследователи обмывали маленьких, недавно вылупившихся в стерилизованной воде кальмарчиков растворами, содержащими различные разновидности светящегося микроба. Было проверено в общей сложности 12 «кальмарных» и 10 «рыбных» линий, причем «кальмарные» линии были взяты от двух разных видов кальмаров. Как и следовало ожидать, все «кальмарные» линии успешно прижились в светящихся органах кальмаров (кальмары вскоре стали светиться), тогда как из «рыбных» линий это сумела сделать только одна. Затем все линии были проверены на наличие гена rscS. Оказалось, что этот ген встречается в двух аллельных вариантах (rscS_A и rscS_B), причем только аллель rscS_A позволяет бактерии вступить в симбиоз с кальмаром. Именно этот вариант гена присутствует у всех «кальмарных» штаммов и у того «рыбного» штамма, который сумел наладить отношения с кальмаром. У всех остальных «рыбных» штаммов либо присутствует второй вариант гена (rscS_B), либо ген вовсе отсутствует (как у той «рыбной» линии, чей геном был полностью прочтен авторами).

Чтобы убедиться в том, что наличие аллеля rscS_A у V. fischeri является необходимым и достаточным условием симбиоза с кальмарами, исследователи провели ряд генно-инженерных экспериментов. 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 приобретали эту способность. Таким образом, предположение полностью подтвердилось.

К сожалению, рыбу Monocentris japonica пока не удается вывести из икры в лаборатории, и поэтому нет возможности получить заведомо стерильных мальков. Это не позволило исследователям проверить, как влияет ген rscS на способность светящейся бактерии вступать в симбиоз с рыбами.

На основе сравнения нуклеотидных последовательностей трех других генов исследователи построили эволюционное древо изученных штаммов микроба. Судя по этому древу, изначально V. fischeri не имел гена rscS и жил в симбиозе только с рыбами. Затем один из штаммов микроба приобрел этот ген. Все штаммы, имеющие ген rscS, образуют на древе монофилетическую (происходящую от одного предка) группу. Это означает, что ген был приобретен только один раз. Сначала он существовал только в одном варианте — rscS_A. Некоторые из потомков того микроба, который впервые обзавелся новым геном, покинули своих прежних хозяев — рыб — и перешли к симбиозу с кальмарами. Впоследствии кое-кто из них вернулся к симбиозу с рыбами, причем это возвращение сопровождалось изменениями в гене rscS. Так появился второй вариант этого гена — rscS_B, который, возможно, каким-то образом улучшает «взаимопонимание» между микробами и рыбами, хотя прямую проверку этого предположения осуществить не удалось из-за упомянутой выше проблемы с лабораторным разведением Monocentris japonica.

Откуда же взялся у светящихся бактерий новый ген rscS? Теоретически он мог быть приобретен двумя путями. Либо какой-то другой ген в геноме бактерии удвоился, и одна из его копий впоследствии стала выполнять новую функцию, либо ген был заимствован у другого организма путем горизонтального генетического обмена. Вероятнее второй вариант, потому что в геноме светящегося микроба нет других генов, сколько-нибудь похожих на rscS (то есть таких генов, от которых rscS в принципе мог бы произойти путем удвоения).

Авторы отмечают, что это первый известный случай, когда главным «действующим лицом» во взаимном узнавании симбионтов оказался регуляторный ген. Как говорилось выше, этот ген запускает синтез специфических полисахаридов в ответ на какие-то внешние сигналы, природа которых пока не известна. Вполне возможно, 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 включается в ответ на вещества, выделяемые рыбами, но для проверки этого предположения необходимы дополнительные исследования.

Похожие статьи: