Cпособ приобретения новых генов и признаков в эволюции высших организмов

Межвидовой обмен генами, или горизонтальный перенос (lateral gene transfer), широко распространен в мире прокариот (бактерий и архей). Считалось, что для высших организмов, особенно многоклеточных животных и растений, межвидовой обмен генами не характерен и встречается лишь как редкая аномалия. Вопреки этим представлениям оказалось, что гены и даже целые геномы паразитических бактерий иногда могут вставляться в хромосомы животных-хозяев. В геномах 4 видов насекомых и 4 видов круглых червей обнаружены фрагменты генома внутриклеточной бактерии Wolbachia, причем в ряде случаев геном бактерии оказался вставлен в геном хозяина практически целиком. Инкорпорация бактериальной ДНК может быть одним из способов приобретения новых генов и признаков в эволюции высших организмов.

Вольбахия — паразитическая бактерия, обитающая в клетках многих наземных и пресноводных беспозвоночных (членистоногих и круглых червей филярий). Вольбахию называют микробом-манипулятором, потому что она научилась при помощи специальных регуляторных белков управлять размножением и развитием своим хозяев. Например, она умеет превращать самцов в самок, избирательно убивать зародышей мужского пола, повышать плодовитость зараженных самок и даже делать бесплодными самок, которые ею не заражены (о том, как ей это удается, можно прочесть в популярных статьях, ссылки на которые приведены ниже). Вольбахия паразитирует в клетках беспозвоночных уже более 100 миллионов лет, да и ее предки — бактерии из группы риккетсиевых — тоже были внутриклеточными паразитами. За это время вольбахия и ее хозяева успели приспособиться друг к другу. В ряде случаев вольбахия даже повышает жизнеспособность своих хозяев, то есть выступает в роли полезного симбионта. При таком долгом и тесном сожительстве было бы даже странно, если бы какие-то фрагменты генома вольбахии время от времени не попадали в ядра клеток хозяина и не включались бы в хозяйский геном. Однако до сих пор доказать это никому не удавалось.

Довольно часто в ходе выполнения проектов по прочтению геномов высших организмов (особенно насекомых) исследователи натыкались на фрагменты бактериальных последовательностей ДНК, но это обычно интерпретировалось как результат загрязнения: предполагали, что при выделении ДНК из клеток исследуемого организма в пробы попало небольшое количество бактериальной ДНК. И соответствующие участки ДНК просто не учитывались при «сборке» генома из прочтенных фрагментов.

Большая группа ученых из различных научных учреждений США предприняла широкомасштабный анализ таких «загрязнений» с целью найти реальные случаи переноса генов вольбахии в геномы животных-хозяев. Ученые выделяли ДНК из разных видов насекомых и филярий, а также анализировали накопленные в Генбанке данные по нуклеотидным последовательностям различных беспозвоночных. Следует отметить, что многие прочтенные «вчерне» геномы до сих пор не подвергались процедуре окончательной сборки; они хранятся в компьютерных базах в виде набора разрозненных, частично перекрывающихся обрывков разной длины. Если перенос генов от внутриклеточных бактерий к хозяевам действительно имеет место, среди этих обрывков могут обнаружиться такие куски ДНК, которые содержат одновременно и эукариотические, и бактериальные участки. Именно такие обрывки и интересовали исследователей.

В результате для четырех видов насекомых и четырех видов филярий удалось получить бесспорные доказательства внедрения генов вольбахии в геном хозяина; еще у трех видов это можно предполагать с большой долей вероятности.

Наибольшее внимание авторы уделили тропической плодовой мушке Drosophila ananassae, потому что в геноме некоторых представителей этого вида обнаружились полные или почти полные копии генома вольбахии. Получается, что в ядрах клеток этих мушек содержится полная генетическая информация сразу о двух разных организмах!

Для проверки этого результата ученые провели целый ряд специальных тестов. Мушек вылечили от вольбахии антибиотиком и убедились, что лечение привело к полному исчезновению внутриклеточных паразитов (см. рис.). Из вылеченных мух снова выделили ДНК. Оказалось, что полный набор генов вольбахии по-прежнему присутствует в пробах.