Генетический обмен поддерживает приспособленность бактерий
Исследователи из Biozentrum Базельского университета обнаружили, что бактерии Bartonella эффективно обмениваются генами с помощью одомашненного вируса, закодированного в их геноме. Как показали результаты, опубликованные в Cell Systems, обмен генетическим материалом происходит только между бактериями с высоким уровнем приспособленности. Такой перенос генов между патогенами предотвращает накопление генетических дефектов, способствует распространению полезных мутаций и поддерживает бактерии в форме.
Bartonella — бактерии, способные вызывать у человека различные инфекционные заболевания, такие как болезнь кошачьих царапин. Чтобы предотвратить накопление мутаций в ходе инфекционного цикла, патогенам необходимы эффективные механизмы репарации ДНК. Поэтому обмен неповреждёнными генами внутри бактериальной популяции играет важную роль, позволяя устранять ошибки в генофонде и поддерживать генетический материал «свежим».
Группа профессора Кристофа Дехио из Biozentrum в сотрудничестве с ETH Zurich обнаружила, что для эффективного обмена генами Bartonella используют вирусоподобные частицы — так называемые агенты переноса генов. Также было показано, что повреждённые бактерии исключаются из этого процесса, что значительно снижает вероятность распространения вредного генетического материала в популяции.
Перенос генов с помощью одомашненных вирусов
Агенты переноса генов эволюционировали из производных бактериофагов — вирусов, атакующих бактерии. Однако, в отличие от бактериофагов, которые упаковывают собственный геном, эти частицы упаковывают случайные фрагменты бактериального генома и переносят их другим бактериям. Используя такие одомашненные бактериофаги, бактериальные популяции могут эффективно обмениваться фрагментами ДНК. Однако этот тип переноса генов имеет высокую цену: часть бактериальной популяции, производящая агенты, погибает при их высвобождении. Каковы же преимущества для выжившей популяции, которая принимает генетические фрагменты?
По мере роста бактериальных популяций бактерии регулярно делятся. При каждом делении геном дублируется и передаётся двум дочерним клеткам. В этом повторяющемся процессе регулярно возникают ошибки. Только эффективные механизмы репарации, включая обмен безупречным генетическим материалом, могут предотвратить накопление генетических аномалий. Короче говоря: генетический материал поддерживается в «свежем» состоянии.
«Дальнейшим эволюционным преимуществом агентов переноса генов является распространение нового генетического материала по всей бактериальной популяции, наделяя её новыми свойствами. Это также может включать устойчивость к антибиотикам», — объясняет Дехио. Но это преимущество для выживания бактерий, с другой стороны, представляет угрозу для человека.
Гены переносят только самые приспособленные бактерии
Долгое время оставалось неизвестным, как работает и регулируется обмен генетическим материалом между бактериями с помощью агентов переноса генов. В своём исследовании команда Дехио всесторонне определила задействованные компоненты. Ключевую роль в этом процессе играют сигналы стресса. Только бактерии в хорошем состоянии обмениваются генетическим материалом, тогда как бактерии, испытывающие стресс из-за неблагоприятных мутаций, этого не делают.
«Другими словами, только самые приспособленные и генетически наиболее перспективные бактерии в популяции делятся и обмениваются генетическим материалом. У генетически ослабленных и, следовательно, испытывающих стресс бактерий этот механизм отключён», — говорит Максим Кебатт, первый автор исследования.
Обмен неповреждённым генетическим материалом позволяет наиболее приспособленной части бактериальной популяции сохраняться в хозяине и успешно передаваться новым хозяевам. Эти знания, в свою очередь, могут быть использованы для разработки новых стратегий борьбы с инфекциями, вызываемыми патогеном Bartonella.