Перетасовка генов в кластерах управляет эволюцией природного солнцезащитного средства у лишайников
Новое исследование показывает, что эволюция солнцезащитных пигментов у лишайниковых грибов происходила в основном за счёт перетасовки существующих генов ферментов и новых вспомогательных генов в новые генетические кластеры.
Лишайники — это симбиотические организмы, состоящие как минимум из одного гриба и одного фотосинтезирующего партнёра (водоросли или цианобактерии). Они производят множество биологически активных вторичных метаболитов.
В статье, опубликованной в Genome Biology and Evolution, исследователи из Великобритании, Бразилии и Израиля изучили эволюцию оранжевых «солнцезащитных» пигментов — антрахинонов — у порядка Teloschistales, разнообразной группы лишайниковых грибов. В позднем меловом периоде представители этой группы перешли от обитания в затенённых лесах к жизни на открытых скалах. Этот переход совпал с усиленной выработкой поглощающих УФ-излучение антрахинонов, что позволило им заселить солнечные и засушливые экосистемы по всему миру.
Исследование демонстрирует:
- Существует большое разнообразие генов биосинтеза антрахинонов среди Teloschistales.
- Их эволюцией в значительной степени управляла перетасовка существующих генов ферментов и новых вспомогательных генов в новые биосинтетические генные кластеры (BGCs).
Методология: метагеномика
Из-за сложности выращивания лишайниковых грибов в изоляции опубликованных геномов мало. Авторы использовали метагеномный подход для секвенирования и сборки 24 новых геномов лишайников (с акцентом на Teloschistales) и сравнили их с 21 опубликованным геномом других представителей класса Lecanoromycetes.
Ключевые находки:
- Было идентифицировано четыре семейства BGC, участвующих в производстве антрахинонов.
- Все четыре семейства присутствовали в кладе Teloschistales, и все геномы Teloschistales содержали как минимум один кластер антрахинонов.
- Почти все BGCs Teloschistales имели консервативную
организацию из четырёх генов:
- Сам ген антрахинонсинтазы (основной фермент).
- Тиоэстераза (предположительно отщепляет конечное соединение от PKS-фермента).
- Дегидратаза.
- Уникальный белок-транспортёр ABC (ATP-binding cassette).
Роль уникального транспортера ABC
Гомологи первых трёх генов были найдены и у видов вне Teloschistales, но ген транспортера ABC был уникален для этой группы. Это указывает на историю геномной перетасовки, объединившей новый вспомогательный ген с существующими генами ферментов антрахинонов.
«Обнаружение гена ABC-транспортёра в кластере генов пигмента стало неожиданностью. Нас всегда озадачивало, как эти лишайники способны производить такое большое количество токсичных оранжевых пигментов, не отравляя себя. Нахождение этого уникального гена транспортера дало первую потенциальную гипотезу для объяснения избегания токсичности в этой группе», — поясняет Тео Ллевеллин, ведущий автор исследования.
Добавление этого транспортера в BGC антрахинонов может объяснить, как лишайники способны накапливать большое количество кристаллов антрахинона в своих слоевищах и репродуктивных структурах, что в итоге позволило им расшириться в новые среды обитания.
Будущие исследования и вызовы
Авторы планируют изучить, могут ли антрахиноны иметь функции помимо защиты от УФ-излучения (например, быть цитотоксичными для других грибов). Однако основным препятствием остаётся сложность культивирования лишайниковых грибов для экспериментальной работы. Их медленный рост и устойчивость к выделению из симбионтов означают, что стандартные подходы in vitro с ними не работают.
Также необходимы дополнительные таксономические выборки и метагеномный анализ большего числа геномов лишайников, поскольку полученные данные лишь «царапают поверхность» геномного и метаболического разнообразия Teloschistales. Для достижения этой цели потребуются международные усилия.