Исследование показывает, что внеклеточные везикулы обмениваются генетической информацией между клетками в море
Исследователи под руководством Сюзанны Эрдманн из Института морской микробиологии Макса Планка в Бремене изучили данные, которые до сих пор в основном отбрасывались как загрязнение. Это раскрыло ранее недооцененную роль внеклеточных везикул (EVs) в обмене генетической информацией между клетками и подчеркнуло их важность для микробного сообщества в море.
Между многочисленными микроорганизмами в океанах происходит активный обмен генетической информацией. Этот горизонтальный перенос генов (HGT) имеет решающее значение для эволюции многих организмов и является, например, важнейшим механизмом распространения устойчивости к антибиотикам у бактерий. До сих пор считалось, что за обмен генами в первую очередь ответственны прямые контакты между клетками, свободная ДНК или вирусы.
Исследование, опубликованное в ISME Communications, показывает, что внеклеточные везикулы также очень важны для переноса генетической информации в море и, следовательно, для жизни его мельчайших обитателей.
Вирусы, GTAs, EVs: Крошечные и многочисленные
Большинство вирусов крошечные. До 10 миллионов из них можно найти в каждой капле морской воды. Они могут упаковывать не только свой собственный генетический материал (свой геном), но и части ДНК своего хозяина — то есть ДНК организма, который они инфицировали, — и транспортировать её в другие клетки.
Изучение вирусов является сложной задачей. Образцы морской воды приходится фильтровать через фильтры с размером пор всего 0,2 мкм (что примерно в 300 раз меньше толщины человеческого волоса), чтобы отделить вирусы от клеток. Помимо вирусов, эти профильтрованные образцы также содержат так называемые агенты переноса генов (GTAs) и внеклеточные везикулы (EVs).
GTAs — это вирусоподобные частицы, которые упаковывают исключительно ДНК хозяина, а EVs — это небольшие везикулы, окружённые мембраной, которые отделяются от поверхности клетки хозяина. Эти EVs могут содержать множество молекул. Помимо ферментов, питательных веществ и РНК, они часто транспортируют фрагменты ДНК.
EVs — активные переносчики генетического материала
Эрдманн и её команда теперь показали, что, вопреки предыдущим предположениям, в профильтрованных образцах морской воды содержится много ДНК хозяина, которая переносится не вирусами. Доказать это было чрезвычайно сложно. «После секвенирования, то есть считывания ДНК хозяина, мы больше не можем распознать, как она попала в наш образец, — объясняет Эрдманн, руководитель исследовательской группы «Вирусология архей» Института Макса Планка в Бремене. — Нет никакого признака, чтобы отнести последовательность к конкретному механизму транспорта».
Чтобы решить эту проблему, исследователи использовали уловку. На первом этапе они присвоили каждой последовательности ДНК хозяина, из которого она изначально происходит. Затем они, насколько это было возможно, определили для каждого хозяина основной механизм транспорта — то есть вирусами, GTAs или EVs. Это позволило им связать потенциальный механизм транспорта с конкретной последовательностью ДНК. «Результат был удивительным: очевидно, большая часть ДНК переносилась не классическими путями, а с помощью внеклеточных везикул», — говорит Эрдманн.
Нечто гораздо большее, чем отходы, в океане и за его пределами
«Внеклеточные везикулы долгое время считались клеточными отходами. Только за последние 15 лет учёные смогли показать их различные функции для клетки. Наше исследование ясно подчёркивает фундаментальную роль, которую EVs играют в обмене генетическим материалом между клетками», — объясняет Доминик Люкинг, аспирант группы Эрдманн и первый автор исследования.
Таким образом, авторы предлагают изменить терминологию: «Традиционно мы говорим о вироме, метагеноме, обогащённом вирусами, когда экстрагируем и секвенируем ДНК из фракции 0,2 мкм, — говорит Люкинг. — Однако таким образом мы упускаем разнообразие других, невирусоподобных частиц в этой фракции, таких как EVs. Таким образом, мы предлагаем называть эту фракцию "защищённой внеклеточной ДНК" или peDNA».
Представленное исследование закладывает основу для будущих исследований peDNA во всех экосистемах, в океане и за его пределами. «Новая номенклатура позволит нам более чётко говорить о механизмах и процессах, не охватываемых термином "виром"», — говорит Эрдманн.
Будущие исследования могут использовать эту работу в качестве руководства для оценки роли внеклеточных везикул в других средах, таких как почва и пресноводные системы или кишечник человека. «Учитывая значение горизонтального переноса генов во многих экосистемах, мы уверены, что впереди нас ждёт ещё немало сюрпризов», — заключает Эрдманн.