Разбираем мир микробиологии по кусочкам
Из каких генов состоит бактерия?
Организмы обладают обширным набором генов в своем геноме. Люди имеют около 20,000 генов, а Escherichia coli (известная так же, как кишечная палочка) имеет всего лишь около 4,500. Биологи по всему миру пытаются выяснить, какие же из этих генов действительно важны и постоянно необходимы для организма. Один из способов это выяснить – удалить ген из генома. Если организм может существовать без него, значит ген был не так важен. Чтобы лучше разобраться в этом эксперименте, представьте, что вы никогда не видели автомобиль, и вы пытаетесь понять, как он работает. Например, если убрать радио из машины, в ней не будет музыки, но она все равно сможет функционировать. Если же снять колеса, машина не сдвинется с места. Вы также не сможете использовать автомобиль без бензобака, но в машинах на солнечных батареях бензобак не нужен вовсе. У некоторых автомобилей бензобак просто напросто отсутствует! Аналогичное сравнение может быть применено и к росту клеток бактерий, где некоторые гены необходимы для роста, а другие гены вовсе не требуются. Как и автомобили, бактерии очень разнообразны, и ген, необходимый для одного штамма, может оказаться бесполезным для другого. Все дело в том, что бактерии одного и того же вида могут вести разный образ жизни и обитать в разных средах, что приводит к очень широкому генетическому разнообразию.
В своем исследовании, Руссе и его коллеги применили метод под названием CRISPRi. Вместо полного удаления гена из генома, CRISPRi блокирует его экспрессию/активность. Группа исследователей сосредоточила свое внимание на 18 штаммах кишечной палочки, и использовала CRISPRi для выбора 3,400 генов, присутствующих в большинстве этих штаммов. Они выращивали колонии кишечной палочки в 3 разных питательных средах: 1) традиционно используемой среде LB с большим количеством питательных веществ; 2) среде с минимальным количеством питательных веществ M9; и 3) среде GMM, имеющая питательные вещества, похожие на те, что найдены в человеческом кишечнике (кишечник является одной из естественных сред обитания кишечной палочки). Группа обнаружила, что достаточно небольшое количество генов было необходимо для выживания всех 18 штаммов (266 гена для среды LB, 304 гена для среды M9, и 248 гена для среды GMM). Также было замечено, что как минимум в одном из штаммов количество жизненно необходимых генов было существенно больше (506 генов для среды LB, 602 гена для среды M9, и 555 гена для среды GMM).
14,000 генов были найдены как минимум в одном из штаммов;
3,380 генов были найдены во всех штаммах;
506 жизненно необходимых генов были найдены во всех штаммах;
266 жизненно необходимых генов были найдены как минимум в одном из штаммов
В своем следующем эксперименте, исследователи сравнили, имеют ли близкие по родству штаммы более схожие наборы жизненно необходимых генов. Несмотря на то, что родственные штаммы имеют довольно схожие типы активности и экспрессии, жизненно необходимые гены значительно отличались друг от друга. Получается, что эволюционная дистанция родственных штаммов имела очень слабое отношение к набору нужных для выживания генов. Однако, следует отметить, что такая слабая связь имела место в экспериментах только в одной из протестированных питательных сред. Таким образом, факторы, определяющие родственные связи, возможно могут определяться не только генетическим набором генов.
Затем, Руссе с соавторами сосредоточились на изучении генов, которые были крайне существенны для выживания как минимум для одного штамма, и крайне несущественны для другого штамма. Они обнаружили 120 генов (32 гена в среде LB, 55 генов в среде M9, и 66 генов в среде GMM) и исследовали механизмы, которые могли бы объяснить существующие различия. Авторы пытались найти ген/гены с функциональной вырожденностью, то есть определить, какая биохимическая функция этой бактерии кодируется двумя или более генами. В ходе исследования они выяснили, что ген metG имеет такую характеристику. Оказалось, что metG не существенен для тех штаммов, в которых этот ген продублирован (присутствует в двух копиях). Если одна из копий гена была деактивирована, а другая копия оставалась активной, клетка могла нормально функционировать. Возвращаясь к аналогии с автомобилем, представьте электромобиль с двумя двигателями: если один выйдет из строя, другой сможет выполнять необходимые функции. Такая же ситуация с дупликацией генов была обнаружена у генов ycaR-kdsB. Эти гены были не важны для тех штаммов, где находился активный ген kpsU, являющийся их гомологом (геном с общим эволюционным происхождением). Присутствие гена kpsU позволило клетке нормально функционировать и без генов ycaR-kdsB. Ученые обнаружили, что каждый штамм бактерии обладал от 10 до 17 дополнительных генов, которые являлись гомологами основных генов. Однако, стоит заметить, что активность гомологов иногда бывает недостаточной, чтобы уравновесить отсутствие основных генов. Например, присутствие nrdA и nrdB является необходимым в штаммах APEC-O1 и TA447 несмотря на наличие гомологов этих генов. Присутствующие гомологи имеют недостаточный уровень экспрессии для их полной генетической активности.
Если в ДНК присутствует ген, который не относится к группе жизненно необходимых генов, то этот ген теряет свою функциональную необходимость;
Если в ДНК присутствует пара генов, где один ген отвечает за производство токсина, а другой за производство антитоксина, эта пара имеет жизненно важную функцию для клетки
В некоторых случаях, ученые наблюдали функциональную вырожденность, но не смогли найти ни одного гомологичного гена. Такая ситуация была замечена в гене dut в штаммах APEC-O1 и TA447. Группа обнаружила, что эти штаммы обладают плазмидом (небольшим внехромосомным фрагментом ДНК) с генами, которые, как считается, имеют близкую друг к другу функцию. Они могли обнаружить ген, который выполняет ту же функцию, что и ген dut. Поскольку этот новый ген не имеет эволюционного отношения к dut, он является аналогом. Представьте себе двигатель обычной машины и электродвигатель: эти два двигателя различаются по своему устройству, но выполняют одну и ту же функцию.
Наконец, исследователи хотели узнать, почему одни гены не играют важную роль в большинстве штаммов, но являются жизненно необходимыми для других. Ученые заметили такой феномен был найден у 13 из 18 штаммов. В штамме K-12 большинство таких “изменчивых” генов могло быть объяснено присутствием не активного гомолога (если у электромобиля есть два двигателя, но один из них в нерабочем состоянии, другой выполняет все критические функции). Чтобы понять переменную сущность генов, ученые применили метод исследования с использованием принципов экспериментальной эволюции. Они создали бактерии, в которых интересующий их ген был неактивен. Посредством секвенирования геномов, группа обнаружила, что интересующий их ген являлся частью системы “токсин и антитоксин”. Такие системы представляют собой генетические элементы, в которых один ген образует токсичный продукт, а другой ген нейтрализует этот токсин. Если оба гена функционируют нормально, то и клетка функционирует в обычном режиме. Если же ген, вырабатывающий антитоксин, отсутствует, то клетка умирает от переизбытка токсина. Система “токсин-антитоксин” используется некоторыми бактериями для защиты от вирусов.
Featured image: Picture by NIAID, https://www.flickr.com/photos/54591706@N02. https://search.creativecommons.org/photos/62e946dc-ab94-40cc-acaf-f484de4ca9dc
Théophile Grébert
Перевод был сделан Марией Мартыновой
micro-bites.org 