Механизм успешного горизонтального переноса генов между разными организмами объяснён

Горизонтальный перенос генов может быть быстрым путём эволюции и возникновения сложных новых функций. Однако даже при близком соседстве организмов (симбиоз, паразитизм) интеграция чужеродного генетического материала в геном — лишь первый шаг. Для успеха ген должен экспрессироваться так, чтобы приносить пользу новому хозяину и передаваться следующим поколениям.

Исследователи из Университета Цукубы изучили у морских беспозвоночных — асцидий — ген целлюлозосинтазы, который изначально произошёл от бактерий. Они раскрыли вероятный механизм, благодаря которому этот ген стал экспрессироваться функционально важным и тканеспецифичным образом.

Команда сосредоточилась на гене целлюлозосинтазы, кодирующем белок, который помогает формировать внешнее защитное покрытие. Потеря этого гена приводит к прекращению производства целлюлозы и негативным последствиям для организма. Ген специфически экспрессируется в защитном наружном слое клеток — эпидермисе, что, как предполагалось, ключевым образом связано с его функцией.

Ключевая регуляторная область

"Мы показали, что область, прилегающая к гену целлюлозосинтазы, ответственна за его специфическую экспрессию в эпидермисе", — говорит соавтор Ёсукэ Огура. "Анализ последовательности выявил, что эта область содержит сайт связывания транскрипционного фактора AP-2. Когда мы индуцировали мутации в этом сайте связывания, экспрессия целлюлозосинтазы в эпидермисе асцидий исчезала".

Роль GC-состава ДНК

Хотя вся ДНК состоит из четырёх оснований (A, C, G, T), их пропорции различаются у разных организмов. Например, у актинобактерий более 70% ДНК составляют G и C, в то время как геном асцидий богат A и T. Сайт связывания AP-2 у асцидий оказался богатым GC, что указывает на его происхождение от другого вида. Эта GC-предвзятость могла быть ключом к функциональной интеграции.

"AP-2 по своей природе связывается с GC-богатыми регионами, поэтому он был уже "готов" взаимодействовать с бактериальной GC-богатой ДНК, как только она интегрировалась в геном асцидии", — объясняет первый автор Ясунори Сасакура. "GC-специфичность и экспрессия AP-2 в эпидермисе означали, что введённый ген целлюлозосинтазы мог немедленно начать экспрессироваться в новой среде полезным для хозяина образом".

Эти результаты дают интересное представление о том, как условия в новом хозяине могут способствовать экспрессии недавно перенесённого гена и его интеграции в функции организма, снижая вероятность того, что случайно вставленный чужеродный ген окажется полезным.