Новые правила переноса генов могут помочь предотвратить распространение устойчивости к антибиотикам

Бактерии способны поглощать генетический материал из окружающей среды. Эта способность обмениваться генами позволяет им приобретать новые признаки, такие как различные метаболические пути, гены вирулентности и устойчивость к антибиотикам.

Более глубокое понимание сложных механизмов горизонтального переноса генов (HGT) может стать ключом к сдерживанию глобальной угрозы растущей антибиотикорезистентности. Новое исследование приблизило нас к этой цели, раскрыв новый набор правил.

Бактериальные геномы: то, что нам недоступно

В отличие от генома человека, который остаётся относительно неизменным в течение жизни, бактерии часто приобретают новый генетический материал. В то время как наш генетический материал защищён мембраной ядра, у бактерий нет такой структуры. Отдельная бактерия могла недавно приобрести до 60% своего генома посредством HGT, когда большие фрагменты ДНК могут быть заменены или полностью переписаны за один шаг.

Загадка

Загадка HGT заключается в том, что процессы, с помощью которых он изменяет ДНК, на первый взгляд кажутся случайными, и всё же HGT чаще всего происходит между близкородственными видами. Почему?

HGT может происходить несколькими способами, но в основе всегда лежит попадание фрагмента ДНК в бактериальную клетку и его случайное включение в хромосому. Казалось бы, клетка с новой ДНК сталкивается с естественным отбором. Однако бактерии, которые более тесно связаны, как правило, обмениваются генами чаще, чем можно было бы ожидать. В одном грамме почвы можно найти до 18 000 отдельных бактериальных геномов, что говорит о том, что не только близость определяет успешность переноса генов.

Правила

В центре исследования — короткие повторяющиеся последовательности под названием AIMS (Architecture IMparting Sequences). Они важны для репликации и сегрегации ДНК у бактерий.

Исследование показало, что если наборы AIMS у донора и реципиента хорошо совпадают, то ДНК, перемещающаяся между этими геномами, может сохраниться. Если они плохо совпадают — верно обратное. Это эффективно устанавливает «правила переноса».

В природе поступающая ДНК «проливается дождём» на бактериальную хромосому. AIMS клетки-реципиента действуют как дырявый зонтик, пропуская к хромосоме только совместимую с ними ДНК. Паттерны инверсий и HGT в бактериальных хромосомах позволяют предположить, что естественный отбор отфильтровал бактерии, в которых произошёл HGT с несовместимыми AIMS.

Важно отметить, что AIMS — не жёсткий барьер, а ограничение для HGT, которое способствует переносу между близкородственными организмами. Хотя несовместимые AIMS могут вызывать проблемы для важных систем, таких как репликация ДНК, вновь приобретённые гены, которые кардинально меняют возможности клетки (например, гены устойчивости к антибиотикам), вряд ли будут отфильтрованы, даже если у них несовместимые AIMS.

Использование в наших интересах

Плазмиды — это крошечные петли двуцепочечной ДНК, которые находятся в клетке и могут реплицироваться независимо от бактериальной хромосомы. Это делает их невосприимчивыми к ограничениям, связанным с AIMS, так как им не нужно встраиваться в хромосому. Они часто содержат гены устойчивости к антибиотикам.

Если мы найдём способы сделать эти плазмиды менее выносимыми для бактерий в окружающей среде, мы сможем ограничить их распространение, подобно тому, как AIMS ограничивают перенос между хромосомами.

Одна из идей — генетический инструмент, который заставит плазмиды физически интегрироваться с хромосомами. Это одновременно сделает их менее мобильными и подвергнет тем ограничениям, которые действуют для хромосом. Например, кассету «иммобилизации» плазмид можно было бы использовать в зонах высокого риска, чтобы уменьшить плазмидный перенос генов у группы полирезистентных патогенов, известных как ESKAPE.

Если это удастся, в будущем мы сможем предотвращать распространение опасных генов, таких как гены устойчивости к антибиотикам или гены вирулентности.