Потеря генов как двигатель эволюции пандемической бактерии
Исследование, опубликованное в Nature Ecology & Evolution, показывает, что иногда потеря, а не приобретение генов помогает бактериальным патогенам выживать и процветать.
Работа была проведена международной группой учёных под руководством Хайме Мартинеса Уртасы (Университет Автонома де Барселона), Ян Чао и Даниэля Фалуша (Шанхайский институт иммунитета и инфекции Китайской академии наук) и Ван Хуэй (Шанхайский университет Цзяо Тонг).
Исследователи изучили эволюцию пандемического клона бактерии Vibrio parahaemolyticus — возбудителя многих инфекций, связанных с морепродуктами и пищевыми отравлениями. Этот клон, впервые обнаруженный в 1996 году в Японии, распространился по Азии, западному побережью США и странам Латинской Америки (Чили, Перу, Мексика). В Испании он был впервые выявлен в 2004 году в Галисии, вызвав вспышку гастроэнтерита у 80 человек.
Учёные заметили, что разные подтипы бактерии сменяли друг друга во времени, подобно волнам. В итоге доминирующим стал подтип Wave-4, вызвавший большинство инфекций, — динамика, схожая со сменой вариантов COVID-19 (альфа, дельта, омикрон).
Анализ генома Wave-4 показал, что его конкурентное преимущество обеспечила не новая мутация или ген, а потеря группы генов, отвечающих за использование путресцина — небольшой молекулы, присутствующей в окружающей среде и кишечнике человека.
Преимущества потери генов
Утрата этих генов дала бактерии преимущества в двух ключевых областях:
- Выживание в окружающей среде: способность формировать более устойчивые биоплёнки, которые защищают бактерии от стресса и облегчают прикрепление к поверхностям, что важно для выживания при длительных межконтинентальных путешествиях.
- Передача между людьми: улучшенная адгезия к клеткам человека и более эффективная колонизация кишечника.
Кроме того, потеря генов привела к ослаблению инфекций, что соответствует гипотезе компромисса вирулентности: слишком смертоносные патогены быстро убивают хозяина и не успевают распространиться, тогда как умеренно вирулентные (как сезонный грипп) становятся более успешными. Этот компромисс может объяснить доминирование Wave-4.
Конвергентная эволюция
Аналогичная потеря генов с похожими последствиями (усиление биоплёнок и адгезии) была обнаружена у других бактерий, таких как Vibrio cholerae и Escherichia coli. Это указывает на конвергентную эволюцию, когда разные организмы независимо развивают сходные черты в ответ на одинаковые вызовы.
«Долгое время потерю генов рассматривали как биологический распад, — говорит Ян Чао. — Но наше исследование показывает, что это может быть умным эволюционным ходом. В нашем случае успех патогена обеспечила не мутация или приобретение генов, а потеря нужных генов в нужное время».
Решение 30-летней загадки
Результаты исследования проливают свет на 30-летнюю загадку глобального распространения V. parahaemolyticus. Это стало возможным благодаря анализу масштабных геномных данных: 8600 геномов с шести континентов и из 34 стран.
Исследование даёт «наиболее полное геномное представление о происхождении и эволюции пандемического клона V. parahaemolyticus и позволяет восстановить историю его географической передачи», — отмечает профессор Мартинес Уртаса. Будущие работы должны показать, как такие патогены перемещаются между континентами через океаны.