Эволюционное усвоение чужеродной ДНК в новом хозяине

Горизонтальный перенос генов (HGT) — приобретение ДНК от организма, не являющегося родителем, — является движущей силой эволюции. Однако внедрение чужеродной ДНК в новый вид часто затруднено.

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали генную инженерию и лабораторную эволюцию, чтобы изучить, как чужеродная ДНК может стать функциональной в новом хозяине. Результаты опубликованы 10 августа в Nature Ecology & Evolution.

Методология

• Хозяин: бактерия Escherichia coli.
• Метод: с помощью CRISPR заменили гены pgi или tpiA (участвующие в метаболизме сахаров) на донорскую ДНК от различных видов — от близких бактерий до человека. Это замедляло рост E. coli примерно в 5 раз.
• Эволюция: использовали роботизированные системы («эволюционная машина») для масштабного изучения адаптации сотен мутантных штаммов на протяжении более 50 000 кумулятивных поколений.

Ключевые результаты

1. Быстрая адаптация: Хотя изначально E. coli не могла использовать большинство чужеродных генов, она часто находила эволюционный путь за несколько дней, восстанавливая скорость роста.
2. Кодоновая оптимизация не обязательна: Гены не были кодон-оптимизированы для E. coli перед внедрением, но это не помешало им стать функциональными, даже для человеческой ДНК.
3. Критический фактор — экспрессия: Во всех успешно эволюционировавших штаммах ключевыми были мутации, повышающие уровень экспрессии гена. Чаще всего они происходили не в самом чужеродном гене, а в регуляторных областях ДНК E. coli.
4. «Молчащие» мутации: Немногочисленные мутации внутри чужеродной ДНК часто были «молчащими» (меняли кодон, но не аминокислоту) и располагались в начале гена. Термодинамическое моделирование показало, что они предотвращают сворачивание мРНК в узловатые структуры, что повышает эффективность трансляции.
5. Мутации в РНК-полимеразе: В сотнях эволюционировавших штаммов обнаружено >90 различных мутаций в комплексе РНК-полимеразы. Их расположение кластеризовалось в зависимости от пути эволюции штамма, что указывает на консервативные регуляторные стратегии адаптации.

Вывод

Исследование демонстрирует, что функциональность чужеродной ДНК в новом хозяине в первую очередь зависит от системных взаимодействий, а не только от самих генетических «деталей». Результаты важны для понимания как естественного HGT, так и конструирования штаммов методами генной инженерии.