Ученые обнаружили слабую связь между экспрессией генов бактерий и условиями среды в лаборатории
Новое исследование ставит под сомнение устоявшееся представление микробиологии о том, что в ответ на изменения окружающей среды бактериальные гены усиливают выработку необходимых белков и снижают производство ненужных. Исследователи из Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли (Berkeley Lab) Министерства энергетики США (DOE) обнаружили, что у бактерий в лабораторных условиях мало свидетельств адаптивного генетического ответа. Фактически, экспрессия большинства бактериальных генов, по-видимому, регулируется сигналами, не связанными с их функцией.
"Мы показали, что в лаборатории регуляция генов часто является неадаптивной. Большинство бактериальных генов находятся под косвенным контролем, а их регуляторные механизмы плохо работают в искусственных условиях лаборатории", — говорит Адам Аркин, ведущий автор исследования.
Вместе с Морганом Прайсом они являются авторами статьи в журнале Molecular Systems Biology под названием "Indirect and suboptimal control of gene expression is widespread in bacteria".
Методология и ключевые результаты
Ученые провели масштабное исследование связи между экспрессией генов и их влиянием на приспособленность (фитнес) бактерий. Они собрали данные по экспрессии и фитнесу для 3247 генов, кодирующих белки, у штамма MR-1 бактерии Shewanella oneidensis. Бактерии культивировали в 15 различных средах, включая разные источники углерода, аэробные и анаэробные условия, а также наличие токсичных соединений.
Результаты оказались неожиданными:
- Только 5% исследованных генов S. oneidensis MR-1 показали адаптивную регуляцию (экспрессия соответствовала пользе).
- 48% генов показали субоптимальную, неадаптивную регуляцию.
- 24% генов были высоко экспрессированы в условиях, где они фактически снижали приспособленность клетки.
"Если построить график зависимости изменения экспрессии гена в данном условии от того, насколько хуже растет клетка без этого гена, вы обнаружите очень слабую корреляцию, которую можно было бы ожидать при традиционном взгляде на адаптивную регуляцию", — поясняет Адам Аркин.
Подтверждение на других видах бактерий
Аналогичные анализы были проведены на бактериях Zymomonas mobilis ZM4 (производитель этанола) и Desulfovibrio alaskensis G20 (сульфатредуктор). Результаты были схожими с исследованием S. oneidensis, что позволяет предположить, что неадаптивная регуляция бактериальных генов широко распространена, по крайней мере, в лабораторных условиях.
Возможные объяснения
Исследователи предлагают несколько причин такого несоответствия:
- Эволюция в других условиях: Бактериальные системы регуляции генов эволюционировали в природных условиях, сильно отличающихся от лабораторных. Сигнал, коррелирующий с полезностью гена в дикой природе, в искусственной среде может стать бесполезным или даже вредным.
- Ограниченность сенсоров: У бактерий гораздо больше оперонов, чем сенсоров, поэтому они, вероятно, не приспособлены для оптимальной регуляции большинства генов.
- Отсутствие давления отбора: Для примерно 10% бактериальных генов может быть слабое давление отбора для регуляции их активности, если они всегда полезны или не очень вредны.
Планы на будущее
Ученые планируют расширить исследования примерно на 100 дополнительных типов бактерий и провести эксперименты в более естественных условиях. Также предстоит проверить другие теории, например, о том, что кратковременные изменения экспрессии генов могут быть более показательными для реакции на изменение среды, чем долгосрочные факторы, измеренные в данном исследовании.