Бактерии делятся генами, но в основном с родственниками

Исследователи из Университета Коннектикута показали, что генетическое сходство может возникать из-за предпочтительного обмена генами, а не только из-за общего происхождения.

Учёные, восстанавливающие эволюционную историю, часто используют «древо жизни», поскольку эволюция напоминает ветвящуюся структуру дерева: организмы передают гены только потомкам. Однако за последнее десятилетие генетики выяснили, что горизонтальный перенос генов (обмен генами между особями) может быть настолько распространён, что затмевает эффекты наследования по линии предков.

«Когда были секвенированы первые геномы бактерий одного вида, мы были шокированы, — говорит Питер Гогартен, профессор молекулярной и клеточной биологии. — Три разных особи E. coli имели общими лишь около 30% своих генов. До этого мы не представляли масштабов горизонтального переноса».

Теперь история получила новый поворот. Гогартен, один из первых обнаруживший распространённость горизонтального переноса, показал, что в природе это явление носит предвзятый характер: чаще всего оно происходит между близкородственными особями и видами. В результате, вместо того чтобы вносить «шум» в эволюционные деревья, горизонтальный перенос генов может фактически усиливать эволюционные паттерны.

«Это открытие ломает наш механизм классификации, — говорит Гогартен. — Организмы могут выглядеть очень похожими на генетическом уровне, но этот сигнал сходства не обязательно исходит от общего предка — он может быть результатом предпочтительного обмена генами».

В статье, опубликованной 17 мая в онлайн-издании журнала Proceedings of the National Academy of Sciences, Гогартен и его коллеги построили эволюционное дерево (филогению) всех известных бактерий двумя разными методами.

Чтобы понять, как выглядела бы бактериальная эволюция без горизонтального переноса, группа сначала построила филогению, используя рибосомную РНК (рРНК) — часть клеточного аппарата синтеза белка, которая редко переносится между организмами. По словам Гогартена, генетики предпочитают использовать её для измерения эволюции, строго основанной на происхождении.

Затем группа сравнила это «рРНК-дерево» с другим деревом, построенным с использованием белка аминоацил-тРНК-синтетазы, который может переноситься между организмами. Сравнение двух эволюционных деревьев принесло неожиданный результат.

«Мы включили в филогению все известные бактерии, потому что искали гены, которые группировали организмы в неправильном месте», — говорит Гогартен.

Однако исследователи обнаружили, что на крупных таксономических уровнях (например, широких классах бактерий) деревья с горизонтальным переносом и без него выглядели практически идентично. Различия между деревьями стали заметны только при изучении более низких таксономических групп — на уровне рода и вида. Это навело на мысль, что бактерии в основном обмениваются генами со своими близкими родственниками.

«Деревья показали, что бактерии могут становиться более похожими со временем из-за предпочтительного обмена генами с более близкородственными организмами, а не только из-за общего происхождения», — говорит Гогартен.

Некоторые предыдущие исследования выявляли группы бактерий, которые делились большинством генов с эволюционно далёкими группами из-за среды обитания, например, термофильные бактерии семейства Thermotogales. Эти бактерии процветают в гидротермальных источниках, где они обменяли до 70% своих генов с другими, далёкими бактериями.

Но новое исследование предполагает, что такие случаи относительно редки, особенно учитывая, что большинство организмов остаются в довольно близком соседстве со своими родственниками. В большинстве случаев, говорит Гогартен, горизонтальный перенос генов будет усиливать, а не скрывать родство.

Следующим шагом в исследовании станет сбор количественных данных о различных характеристиках, представляющих обменённые гены внутри бактериальных линий. Это поможет пролить свет на относительное влияние наследования и горизонтального переноса генов на признаки, проявляемые родственными бактериями.

Хотя эта работа продолжает раскрывать механизмы эволюции, Гогартен отмечает, что она делает попытки восстановить древо — или, скорее, сеть — жизни ещё более сложными.

«Нам бы хотелось иметь естественную таксономическую систему, в которой мы называем вещи определённым именем, потому что они связаны между собой родством, — говорит Гогартен. — Поэтому философски это вызывает у нас беспокойство. Они похожи, потому что у них общий предок, или потому что они обменялись генами?»