Странные союзники: происхождение и эволюция бактериальных гибридов

Создание межвидового гибрида — организма, содержащего гены более чем одного вида — чрезвычайно распространено среди бактерий. Перенос генетического материала от одного вида бактерий к другому, часто называемый латеральным или горизонтальным переносом, играет важную роль в эволюции и разнообразии бактерий, например, в обмене генами устойчивости к антибиотикам.

Горизонтальный генетический перенос может происходить несколькими механизмами. В одних случаях участок ДНК в бактерии-реципиенте заменяется похожим участком ДНК из бактерии-донора, не меняя общий размер хромосомы. В других случаях гибридизация увеличивает длину хромосомы. В новом исследовании в Genome Biology and Evolution профессор Диармайд Хьюз и его коллеги из Уппсальского университета изучили механизмы создания бактериальных гибридов с увеличенными хромосомами и их последующую эволюцию.

Авторы отмечают недавнее открытие двух глобально распространённых гибридных бактериальных патогенов (Klebsiella pneumoniae ST258 и Escherichia coli ST1193), у каждого из которых не менее 20% хромосомы происходит от другого вида, что указывает на потенциальную важность гибридов.

Чтобы понять этот процесс, авторы смешали в лаборатории два штамма бактерий, эволюционировавших как отдельные виды более 100 миллионов лет: Salmonella enterica серовар Typhimurium и E. coli Hfr (штамм с высокой частотой горизонтального переноса). Затем они отобрали гибридные клетки с маркерами обоих родительских штаммов и идентифицировали восемь штаммов, в которых ДНК E. coli встроилась в хромосому Salmonella, увеличив её длину.

В некоторых случаях увеличение было значительным: от 151 кб до 1.3 Мб. Авторы были удивлены, что «такие огромные фрагменты ДНК — в одном случае четверть длины хромосомы донора — могут быть рекомбинированы в хромосому реципиента». Более того, эти увеличенные хромосомы возникли в результате разных механизмов.

В пяти случаях участок ДНК Salmonella был заменён более длинным участком ДНК E. coli. В трёх других случаях кольцевой фрагмент ДНК E. coli встроился в хромосому Salmonella, увеличив её длину без потери собственной ДНК. Этот последний механизм особенно интересен, так как в принципе может происходить даже между отдалённо родственными видами, поскольку не требует высокого сходства геномов.

Семь из восьми гибридных штаммов показали сниженную скорость роста по сравнению с родительским штаммом Salmonella, что указывает на негативный эффект на приспособленность в лабораторных условиях. Чтобы изучить эволюцию гибридов, авторы провели эксперимент с двумя гибридными штаммами, вырастив пять независимых линий для каждого в течение 100 поколений в двух условиях: с селекцией и без селекции на маркер устойчивости к антибиотику, который маркировал фрагмент ДНК E. coli.

Все линии увеличили относительную скорость роста, в некоторых случаях достигнув уровня родительского штамма. В большинстве случаев это было связано с хромосомными делециями, которые включали часть интегрированной ДНК E. coli.

Однако удивительно, что авторы ни разу не наблюдали точного удаления всего сегмента E. coli. Во всех случаях делеции захватывали как приобретённую ДНК E. coli, так и собственную ДНК Salmonella, оставляя необратимо гибридные хромосомы. Этот исход был «сильно обусловлен взаимодействием между давлением отбора на повышение скорости роста и хромосомным распределением последовательностей, которые могут служить субстратом для делеции путём гомологичной рекомбинации».

Основываясь на этих результатах, авторы полагают, что «формирование гибридных хромосом, вероятно, является обычным событием в естественной среде, но его обнаружение может быть легко скрыто, например, последующей эволюцией». Они признают, что необходима дополнительная работа для подтверждения этого.

«Одна потенциальная критика заключается в том, что мы наблюдаем лабораторный феномен и не показали доказательств аналогичных событий в природных изолятах или средах». Авторы сейчас работают над этим. «Мы заинтересованы в изучении этих явлений как экспериментально, так и с помощью биоинформатических подходов. Используя контролируемые лабораторные подходы, мы можем ознакомиться с потенциальными генетическими сигнатурами гибридных хромосом, и это может облегчить их распознавание в природных изолятах».

Хьюз считает, что эти усилия в конечном итоге будут успешными: «Хотя наши эксперименты проводятся в лаборатории, аналогичные эксперименты постоянно происходят в окружающей среде из-за огромного количества бактерий, которые существуют и постоянно взаимодействуют… Учитывая большую численность популяции бактерий на Земле, весьма вероятно, что события, подобные тем, которые мы наблюдали в наших экспериментах, также происходят в природе».