Учёные впервые увидели, как ген перепрыгнул с одного вида на другой

Гены передаются по наследству — от родителей потомкам. Это аксиома биологии, известная со школы. Но у этого правила есть исключения, и одно из них называется горизонтальным переносом генов (ГПГ). При горизонтальном переносе ген перемещается не «вниз» по поколениям, а «вбок» — от одного организма к другому, даже если они принадлежат к разным видам. У бактерий такой обмен хорошо известен и активно изучается — в том числе как механизм распространения устойчивости к антибиотикам. У более сложных организмов его значение долго недооценивалось.

Теперь исследователи Института морской микробиологии имени Макса Планка (Бремен, Германия) сделали нечто прежде невозможное: они поймали ген за прыжком между видами в режиме реального времени. Исследование опубликовано в журнале Scientific Reports.

Бактерия-хищник и её жертва

Действующие лица — два микроорганизма из морских отложений.

Первый: Candidatus Velamenicoccus archaeovorus — крохотная хищная бактерия, специализирующаяся на охоте за клетками метаногенных архей. Второй: Methanothrix soehngenii — архея, производящая метан в анаэробных условиях, одна из излюбленных жертв первой.

В геноме Ca. Velamenicoccus archaeovorus обнаружена подвижная генетическая структура — самосплайсирующийся интрон, небольшой фрагмент РНК, способный вырезать себя из одной молекулы РНК и встраиваться в другую. Интроны такого типа известны у бактерий и клеточных органелл, но их переход между клетками разных видов был лишь теоретически предположен — прямых наблюдений не существовало.

Как ген был пойман «с поличным»

Исследователи применили метод визуализации РНК на уровне отдельных клеток. Им удалось буквально увидеть молекулы РНК интрона одновременно внутри клеток бактерии-хищника и внутри мёртвых клеток архей — жертв этого хищника.

Кроме того, интрон образует кольцевую РНК — замкнутую молекулу без открытых концов. Кольцевые РНК чрезвычайно устойчивы к деградирующим ферментам, потому что у них нет «хвостов», за которые их могут разрушить. Именно поэтому интрон обнаружился не только внутри живого хищника, но и в уже мёртвых клетках жертвы — что доказывает факт переноса.

«Ген был пойман на месте преступления — в момент попытки репликации. Однако носитель интрона, Ca. Velamenicoccus archaeovorus, к тому времени уже убил новую клетку-хозяина. Таким образом, попытка завершилась прыжком в пустую клетку», — поясняют авторы работы.

Что это меняет в понимании эволюции

Открытие демонстрирует принципиально новый маршрут горизонтального переноса генов:

• Не через плазмиды (кольцевые ДНК, которые бактерии часто обмениваются).
• Не через вирусы (бактериофаги, традиционно считавшиеся главными переносчиками).
• А напрямую — через физический контакт хищника с жертвой, с переносом стабильных кольцевых РНК.

У людей кольцевые РНК участвуют во многих метаболических процессах и изучаются в контексте онкологических заболеваний. Открытие их роли в межвидовом обмене генами у микроорганизмов ставит новые вопросы: насколько широко распространён этот механизм в микробных экосистемах? Может ли он ускорять эволюцию микробных сообществ быстрее, чем предполагалось?

Читайте также по теме: генетическом архиве человечества в Океании.

Эволюция оказывается ещё активнее — и изобретательнее, — чем казалось.