Как гены могут передаваться от змей к лягушкам на Мадагаскаре

Сидящая на листе в тропическом лесу крошечная золотая лягушка-мантелла скрывает секрет. Она разделяет этот секрет с лягушкой с раздвоенным языком, тростниковой лягушкой и множеством других лягушек в холмах и лесах островного государства Мадагаскар, а также с удавами и другими змеями, которые охотятся на них.

Изучив геномы лягушек и змей по всему миру, учёные сообщили в апреле в статье в Molecular Biology and Evolution, что этот ген каким-то образом путешествовал от змей к лягушкам по крайней мере 50 раз по всей планете. Но на Мадагаскаре он внедряется в лягушек с поразительной неразборчивостью: он есть у 91% отобранных там видов лягушек. Кажется, что-то делает Мадагаскар исключительно подходящим местом для того, чтобы ген стал мобильным.

Когда Ацуши Курабаяши, доцент Института биологических наук и технологий Нагахама и главный автор новой статьи, впервые увидел змеиную версию гена у лягушек, он был озадачен. Он спросил об этом коллегу, специализирующегося на геномике, и тот тут же воскликнул: «Это должно быть горизонтальный перенос генов!» — передача гена от одного вида к другому, в отличие от вертикального наследования генов потомком от родителя.

Эта вспышка эмоций заставила Курабаяши заняться изучением феномена, который когда-то считался чрезвычайно редким, хотя появление более совершенных методов секвенирования генома заставило биологов пересмотреть это мнение. И эта новая работа, которая показывает, что горизонтальный перенос генов может быть более вероятным в одних местах, чем в других, ещё больше усложняет историю. Это предполагает, что при поиске объяснений горизонтального переноса исследователям, возможно, придётся выйти за рамки простых генетических механизмов и обратиться к экологическим условиям, в которых живут виды.

Геномисты всё ещё пытаются понять, насколько распространены или редки горизонтальные переносы в сложных организмах, но некоторые места, такие как Мадагаскар, могут быть для них горячими точками.

Горизонтальный перенос является обычным явлением у бактерий. Многочисленные одноклеточные организмы, населяющие почти каждую щель на планете, усваивают гены из окружающей среды так же легко, как щётка для ворса собирает кошачью шерсть. Это одна из причин, почему устойчивость бактерий к антибиотикам широко распространена: защитные гены легко передаются, а естественный отбор гарантирует, что устойчивые бактерии превзойдут своих соседей и передадут свои гены следующему поколению.

Бактерии настолько легко обмениваются генами, что некоторые учёные даже предположили, что бактерии образуют сеть родственных жизней, а не разветвлённое генеалогическое древо. Однако клетки эукариотических организмов, таких как люди, лягушки и змеи, отличаются. Их клеточное ядро обычно кажется крепостью для защиты генома. ДНК тщательно свёрнута и хранится в библиотеке этой цитадели, а ферменты вызывают только те гены, которые им необходимо исследовать в любой момент времени. Клетка загружена отказоустойчивыми устройствами, чтобы предотвратить повреждение её ДНК и восстановить износ.

Если геном подобен бесценному иллюстрированному манускрипту, его библиотекари вооружены мечами. Тем не менее, примеры горизонтального переноса генов с участием эукариот продолжают поступать в научную литературу. Селёдки и корюшки, неродственные рыбы, плавающие в ледяных водах Арктики, северной части Тихого и северного Атлантического океанов, имеют точно такой же ген белка, который не даёт их крови замёрзнуть; вероятно, он «перепрыгнул» с сельди на корюшку. Лори Грэм, молекулярный биолог из Королевского университета в Канаде, и её коллеги сообщили об этом в прошлом году; их выводы были настолько нелогичными, что Грэму было трудно опубликовать работу.

Точно так же биолог-эволюционист Этьен Г.Дж. Данчин и его коллеги из Национального исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды во Франции изучают набор ферментов, которые черви-нематоды получили от бактерий. И более 100 генных семейств, по-видимому, давно перешли от микробов к растениям, как написал Цзиньлин Хуанг из Университета Восточной Каролины и его коллеги в статье этого года.

Есть ясные причины, по которым эволюция улыбнулась некоторым из этих невероятных перемещений. Рыба с этим геном не замерзает. Пищеварительные ферменты нематод позволяют им извлекать больше энергии из клеточных стенок растений, которые они едят. Благодаря группе ферментов, полученных от бактерий, живущие в горячих источниках красные водоросли, изученные биологом-эволюционистом Дебашишем Бхаттачарья и его ученицей Джулией Ван Эттен из Университета Рутгерса, могут пережить контакт с веществами, которые в противном случае убили бы их.

BovB — хорошо известный транспозон, фрагмент генетического материала, склонный к случайным скачкам по геному. В некотором смысле его прыжки от змей к лягушкам на Мадагаскаре — как бы они ни происходили — просто на удивление большие прыжки, чем обычно. Более того, хотя транспозоны могут оказывать сильное влияние на геномы, BovB не является геномом с функцией в традиционном смысле; это просто кусочек ДНК, который делает копии самого себя.

Курабаяши отмечает, что, хотя нельзя исключать возможность того, что BovB приносил пользу лягушкам, более вероятно, что BovB сохраняется благодаря своему собственному агрессивному успеху в самовоспроизведении. Это может помочь объяснить, почему, когда эукариоты сталкиваются с генетическим материалом других организмов, часто вовлекаются транспозоны, такие как BovB. Как ни странно может показаться, что эукариоты перенимают гены у бактерий, ещё более странным является тот факт, что примеры горизонтального переноса генов в другом направлении встречаются гораздо реже. По какой-то причине бактериям не нужны гены животых.

Эукариотические гены имеют структурные особенности, которые делают их далеко не идеальным материалом для бактерий, но могут быть и другие способствующие этому факторы. «Возможно, у эукариот нет генов, которые интересуют бактерии», — говорит Патрик Килинг, биолог из Университета Британской Колумбии, изучающий горизонтальные переносы.

В отличие от бактерий, вирусы действительно умеют перенимать гены у своих эукариотических хозяев. Вирусы, особенно те, которые называются ретровирусами, обладают инструментами для проникновения в клетки и ядра хозяина, и они прекрасно умеют вставлять генетический материал в геномы хозяина.

Иногда передача идёт и в другую сторону. В статье, опубликованной в журнале Nature Microbiology в декабре прошлого года, Килинг, его сотрудник Николас Ирвин из Оксфордского университета и их коллеги провели первый всесторонний анализ горизонтального переноса генов между 201 эукариотом и 108 842 вирусами. Они обнаружили доказательства более чем 6700 переносов генов, причём переносы от хозяина к вирусу примерно в два раза чаще, чем переносы от вируса к хозяину. Они пришли к выводу, что горизонтальные переносы генов были главными движущими силами эволюции с обеих сторон: вирусы часто использовали приобретённые ими эукариотические гены, чтобы стать более эффективными при заражении своих хозяев, в то время как эукариоты иногда использовали элементы вирусных генов для создания новых свойств или для регуляции своего метаболизма по-новому.

Находки, подобные этим, убедили некоторых биологов в том, что, по крайней мере, некоторым горизонтальным переносам генов могут способствовать вирусы. Если вирусы могут забирать гены от своих хозяев и если они могут оставлять после себя фрагменты своих геномов, кажется возможным, что они могли также иногда переносить гены от последнего заражённого ими хозяина или даже от одного поколения назад и передавать их новому хозяину.

Участие вирусов также может помочь решить другую загадку о горизонтальном переносе у эукариот. Чтобы передача произошла, путешествующим генам необходимо преодолеть целый ряд препятствий. Сначала они должны перейти от видов-доноров к новым видам-хозяевам. Затем они должны проникнуть в ядро и закрепиться в геноме хозяина. Но проникнуть в геном любой клетки не получится: у многоклеточных существ, таких как лягушки и сельди, ген не будет передаваться потомству животного, если только он не сможет проникнуть в клетку зародышевой линии — сперматозоид или яйцеклетку. Вирусы могут сделать эту серию событий более вероятной.

По словам Данчина, у мелких организмов, таких как нематода, репродуктивный тракт и его зародышевые клетки находятся недалеко от кишечного тракта, где могут оседать вирусы, попавшие в организм с пищей. Поскольку лягушки выпускают свои яйца и сперму в открытую воду, эти клетки потенциально уязвимы для вирусов в окружающей среде, которые могут проникнуть в гены. Даже с более крупными существами это может быть просто. На данный момент это всё ещё спекулятивная идея, но «репродуктивный тракт полон микробов и вирусов», — говорит Данчин. «Мы знаем, что некоторые вирусы поражают именно зародышевые клетки».

Килинг предполагает, что для понимания тайны горизонтального переноса генов, возможно, следует думать о них как об экологических следствиях поведения организма, его соседей и окружающей среды. Если горизонтально перенесённый ген даёт какие-либо преимущества для выживания, это, вероятно, будет сильно зависеть от конкретного сценария, в котором окажется реципиент гена — ледяное море, горячий источник, аппетитное растение-хозяин с надёжной защитой.

Горизонтальный перенос генов у эукариот может происходить постоянно: в пруду на заднем дворе, в почве под ногами, в животных, насекомых и растениях, составляющих экосистему. Чтобы проверить, насколько часто у лягушек бывает змеиный BovB, команда Курабаяши обратилась к своим коллегам за образцами лягушек со всего мира для секвенирования ДНК. Они обнаружили, что из 149 видов 50 вернулись с BovB. 32 малагасийских лягушки, которых они протестировали, составляют менее четверти всех отобранных видов, но 29 из них несут змеиный ген — явное большинство всех переносов, обнаруженных по всему миру. Более того, по крайней мере, две линии лягушек не приобрели BovB до тех пор, пока их предки не мигрировали из Африки на Мадагаскар.

Самое интересное в статье, по словам Грэма, «это то, что она показывает, что скорость передачи неравномерна. Она сильно различается в зависимости от географического региона». Если будут проведены дополнительные исследования с целью изучения переноса генов по всему миру — посмотреть, происходили ли переносы с разной скоростью в разных местах — то, результат  может удивить иссдедователей.

Возможно, география имеет большее значение. Есть ли что-то в окружающей среде Мадагаскара, что делает его горячей точкой для переноса генов? Никто не знает.

Курабаяси говорит, что он и его группа подозревают, что BovB мадагаскарской змеи отличается от других в мире тем, что немного лучше приживается к новому хозяину. Но обилие паразитов на острове также может быть одним из факторов. Например, «на Мадагаскаре много пиявок», — говорит Мигель Венсес, герпетолог из Брауншвейгского технологического университета в Германии и автор новой статьи. Кровососущие существа питаются многими видами животных, включая лягушек и змей, и они не гнушаются людьми. Венсес и его коллеги предполагают, что пиявки могут приносить кровь, содержащую ген BovB змеи, лягушкам, или, возможно, ген уже находится в собственном геноме пиявки от предыдущих контактов со змеями. Тогда, возможно, неопознанный вирус сделает всё остальное.

Без отбора для сохранения последовательностей ДНК они склонны мутировать и смешиваться в течение длительного времени, стирая молекулярные доказательства переноса. По словам Грэма, если к переносу причастен вирус, он может оставить очень мало улик. Таким образом, исследователям, возможно, потребуется уловить генетический скачок в действии, чтобы понять, как это происходит.

Бхаттачарья находится на ранних стадиях проекта, направленного именно на это. В горячих источниках Лемонейд-Крик в Йеллоустонском национальном парке он и его коллеги ищут признаки переносов, которые, возможно, всё ещё находятся в процессе закрепления. Они изучают ДНК красных водорослей, унаследовавших гены от бактерий, которые также живут в источниках, гены, которые имеют лишь небольшие отличия от оригиналов.

Если учёные обнаружат, что у водорослей в близлежащих источниках отсутствуют какие-либо из этих перенесенных генов, то они могут стать свидетелями начала волны генетических изменений, распространяющихся наружу через водоросли, от одного соседнего источника к другому. Каждый новый горячий бассейн может быть островом на грани трансформации.