Грибной секс может создавать новые лекарственно-устойчивые и вирулентные штаммы
Большинство биологов считает, что цель полового размножения — создание разнообразия среди потомства. Однако многие грибы и микроорганизмы размножаются с генетически идентичными партнерами, что, казалось бы, должно давать одинаковое потомство.
Исследователи обнаружили, что сам акт полового размножения между такими генетически идентичными организмами может быть мутагенным, то есть создавать генетические изменения и разнообразие. Исследования гриба Cryptococcus показали, что процесс полового размножения может приводить к появлению дополнительных хромосом (анеуплоидии), что может быть полезно для выживания организма.
Это открытие помогает понять, как патогенные микробы могут эволюционировать, чтобы вызывать и распространять болезни, например, текущую вспышку Cryptococcus в Канаде и на северо-западе США. Результаты опубликованы 10 сентября 2013 года в журнале PLOS Biology.
Как секс создаёт разнообразие из ничего
Гриб Cryptococcus neoformans — глобальный патоген, вызывающий более 600 000 смертей в год, что составляет треть всех смертей, связанных со СПИДом. Большинство этих грибов в природе относятся к одному типу спаривания «альфа». Ранее было показано, что Cryptococcus способен к унисексуальному размножению — половому процессу между грибами одного типа спаривания.
Чтобы проверить гипотезу о том, что такой секс создаёт генетическое разнообразие, исследователи выращивали микроорганизм двумя способами: бесполым и унисексуальным размножением. Потомство сравнивали друг с другом и с родительской формой.
Роль анеуплоидии
Потомство бесполого размножения было клонами, идентичными родителю. Некоторые же потомки унисексуального размножения отличались как генетически, так и по поведению. Эти различия были вызваны анеуплоидией — наличием большего, чем в норме, числа хромосом.
У людей анеуплоидия обычно вредна (например, синдром Дауна). Но у микробов, таких как Cryptococcus, дополнительная хромосома может быть полезной, обеспечивая устойчивость к противогрибковому препарату флуконазолу.
В этом исследовании учёные обнаружили, что анеуплоидия может приводить к полезным, нейтральным или вредным изменениям в приспособленности потомства. Например, потомки с дополнительной копией хромосомы 9 или 10 становились устойчивыми к лекарствам и превосходили родителя в условиях противогрибковой терапии.
Временное преимущество и вирулентность
Ключевая особенность анеуплоидии — её обратимость. Если она перестаёт быть полезной, грибы могут так же легко потерять лишнюю хромосому, как и приобрели. При этом они теряют и новые свойства, возвращаясь к поведению родителя.
Используя анеуплоидное потомство для заражения животных моделей, исследователи показали, что оно может быть столь же вирулентным, как и родитель. Это демонстрирует, как новые свойства (устойчивость к лекарствам) и старые (вирулентность) могут сочетаться.
Значение для вспышек заболеваний
Это открытие иллюстрирует, как унисексуальное размножение вносит ограниченное генетическое разнообразие в клональные популяции, уже хорошо адаптированные к среде. Это может стимулировать вспышки заболеваний, вызванных лекарственно-устойчивыми патогенными микробами.
В настоящее время исследователи ищут анеуплоидию в образцах из вспышки Cryptococcus gattii в западной части Северной Америки, чтобы понять, может ли это объяснить, как этот родственный штамм научился заражать здоровых людей.