Универсальность генетической экспрессии помогает быстрой эволюции микробов

Микробиологи из Тринити-колледжа в Дублине обнаружили, что один и тот же белок по-разному используется двумя видами бактерий, чтобы справляться с различными типами стресса окружающей среды. Это открытие показывает необычайную универсальность в том, как разные гены «включаются» у бактерий, что, в свою очередь, помогает объяснить, почему они эволюционируют так быстро.

Исследователи показали, что один и тот же белок OmpR, отвечающий за связывание с определёнными участками ДНК, управляет работой большого набора генов как у безвредного штамма Escherichia coli (E. coli), так и у потенциально смертельной Salmonella enterica серовар Typhimurium (S. Typhimurium).

• В E. coli белок OmpR играет ключевую роль в способности бактерии выживать при внезапном осмотическом стрессе, вызванном движением воды внутрь и наружу её клеток.
• В S. Typhimurium OmpR является ключевым регулятором действий, позволяющих бактериям выживать в условиях кислотного стресса, например, в бактерицидных вакуолях макрофагов иммунной системы, которые Salmonella может побеждать с помощью специализированных патогенных генов.

Учёные идентифицировали все сайты связывания OmpR в хромосомах обоих видов. Эти участки были богаты азотистыми основаниями аденином (A) и тимином (T).

Ключевое отличие заключается в том, что ДНК S. Typhimurium меняет свою форму (релаксация ДНК) после воздействия кислоты. Это изменение усиливает привлекательность сайтов связывания для белка OmpR. Такая же релаксация не происходит в E. coli.

«Эта работа показывает, что ДНК — не пассивный партнёр при включении генов, а активный и динамичный участник процесса», — сказал профессор Чарльз Дорман.

Среди множества мишеней OmpR у S. Typhimurium, отсутствующих у E. coli, — гены, делающие сальмонеллу патогенной. Учёные полагают, что эти гены были приобретены через горизонтальный перенос генов. Это могло произойти уже после того, как Salmonella и E. coli отделились от своего последнего общего предка.

Последовательности этих патогенных генов также очень богаты основаниями A и T. Это означает, что они имеют структурный профиль, подходящий для быстрого взаимодействия с белком OmpR. Этот профиль, наряду с релаксацией ДНК при кислотном стрессе, мог позволить OmpR «приручить» эти импортированные гены и встроить их в кислотный стрессовый ответ сальмонеллы.

Исследование, финансируемое Science Foundation Ireland, опубликовано в журнале PLoS Genetics.