Копировать/вставить и удалить: как выживать без регуляции генов

Умение включать и выключать гены по мере необходимости позволяет организмам адаптироваться к изменениям окружающей среды — при условии, что у организма есть для этого специфический регуляторный механизм. Ученые из Института науки и технологий Австрии (IST Austria) показали, что в редких или быстро меняющихся условиях приспособленность популяции бактерий может увеличиваться просто за счет производства большего числа копий одного и того же гена. Результаты имеют большое значение для борьбы с устойчивостью к антибиотикам.

Естественные условия постоянно меняются. Если изменение привычное — например, смена дня и ночи или колебания в запасах пищи — организмы используют регуляцию генов для адаптации, позволяя включать и выключать отдельные гены по мере необходимости. Однако организм может столкнуться с принципиально новыми условиями, для которых у него еще не выработался адекватный механизм регуляции генов. Эволюция такого механизма занимает очень много времени — до миллионов лет — поскольку процесс зависит от редких точечных мутаций, а нужные мутации могут не произойти достаточно быстро, если условия меняются стремительно.

Аспиранты Изабелла Томанек и Рок Грах из групп Калина Гуэта и Гашпера Ткачика в IST Austria и Джонатан Боллбэк из Ливерпульского университета (Великобритания) задались вопросом, может ли другое эволюционное решение — копирование генов — помочь выживанию бактериальной популяции в быстро меняющихся условиях.

Копировать/вставить и удалить создают генетическое разнообразие

Как и любая другая мутация, копирование генов происходит спонтанно и постоянно. «Типичная бактериальная популяция будет содержать большую долю клеток с дупликацией где-то в их хромосоме, — объясняет Изабелла Томанек. — Мы наблюдали более 40 поколений отдельных бактерий и визуализировали эти дупликации, но также увидели, что они довольно нестабильны: вторая копия гена может быть дополнительно амплифицирована в следующих поколениях и привести к большому числу копий, но дупликация также может быть сразу же удалена, и особь возвращается к исходному состоянию с одним геном».

Эта нестабильность вызывает вариацию в числе копий генов и, следовательно, в уровнях экспрессии генов в популяции (поскольку любая дополнительная копия гена усиливает его экспрессию). В свою очередь, отбор может действовать на возникающее разнообразие числа копий — и выбирать тех бактерий с «правильным» количеством копий/уровнем экспрессии гена.

Быстрые изменения требуют быстрых стратегий

Чтобы проверить гипотезу, ученые исследовали экспрессию модельного гена, важного для роста Escherichia coli, в двух разных сахарных средах: галактозе, отбирающей за высокую экспрессию модельного гена для поддержки роста (среда А), и химическом аналоге галактозы, который поддерживает рост только при низкой экспрессии гена (среда В). Переключаясь между этими двумя противоположными средами с 24-часовым ритмом, ученые смоделировали относительно быстрое изменение условий роста, требующее регуляции модельного гена. Как и ожидалось, Томанек и коллеги наблюдали, что популяции настраивали экспрессию гена в соответствии с двумя средами — высокая экспрессия в среде А в противоположность низкой в среде В.

Эти экспериментальные результаты были взяты Роком Грахом из группы биофизической теории Гашпера Ткачика, который ввел данные в модель популяционной динамики. Объединив свою работу в этом исследовании, три группы впервые продемонстрировали, что копирование генов служит стратегией для настройки уровня экспрессии гена, когда регуляция генов необходима, но никакой другой генетический регуляторный механизм не доступен.

Рок Грах отмечает: «Самое примечательное, что стратегия "копировать/вставить и удалить" вступает в силу на экологических временных масштабах, то есть до того, как более медленные эволюционные решения, такие как регуляция генов на уровне отдельных клеток, могут развиться путем адаптации через точечные мутации. И, как мы смогли показать в нашей модели, поскольку любая геномная область в принципе может быть амплифицирована, описанный механизм может действовать не только на любой бактериальный ген, но и, в принципе, применим к любому другому организму».

Последствия для устойчивости к антибиотикам

Широкая применимость генетического механизма, описанного в этом исследовании, имеет потенциальные последствия для столь же разнообразного числа биологических явлений. Например, это может привести к неэффективности антибиотиков, потому что из-за разницы в числе копий бактерии от одного и того же пациента демонстрируют разные уровни устойчивости к антибиотикам. Это явление, называемое гетерорезистентностью, затрудняет для врачей оценку того, сколько именно антибиотика необходимо для успешной борьбы с бактериальной инфекцией.

Исследование опубликовано в Nature Ecology & Evolution.