Генные воры: «чужая ДНК» позволяет обмануть эволюцию за счет кражи генов

Какая форма жизни в нашем мире самая устойчивая и крепкая? Тараканы славятся своей живучестью — многие люди убеждены, что те смогли бы пережить даже ядерный апокалипсис. Тихоходки, или водяные медведи, еще более выносливы. Они могут выжить даже в космосе. В кипящих кислых источниках Йеллоустонского национального парка живет одна водоросль. Вокруг нее едкая вода, приправленная мышьяком и тяжелыми металлами. Чтобы остаться в живых в этом смертельном месте, она использовала неожиданный трюк.

Каков ее секрет? Воровство. Она крадет гены, необходимые для выживания, у других форм жизни. И эта тактика куда более распространена, чем можно было бы подумать.

Большинство живых существ, которые живут в экстремальных местах, представляют собой одноклеточные организмы — бактерии или археи. Эти простые и древние формы жизни не обладают сложной биологией животных, но их простота является преимуществом: они гораздо лучше справляются с экстремальными условиями.

Миллиарды лет они скрывались в самых негостеприимных местах — глубоко под землей, на дне океана, в вечной мерзлоте или в кипящих горячих источниках. Они прошли долгий путь, развивая свои гены в течение миллионов или миллиардов лет, и теперь они помогают им справиться практически с чем угодно.

Но что, если другие, более сложные существа могли бы просто прийти и украсть эти гены? Они бы совершили эволюционный подвиг. Одним махом они заполучили бы генетику, позволяющую выживать в экстремальных местах. Они попали бы туда, минуя миллионы лет утомительной и тяжелой эволюции, которая обычно необходима для развития этих способностей.

Так и поступила красная водоросль Galdieria sulphuraria. Ее можно найти в горячих серных источниках Италии, России, Йеллоустонского парка в США и Исландии.

Температуры в этих горячих источниках поднимаются до 56 градусов по Цельсию. Хотя некоторые бактерии могут жить в бассейнах при температуре около 100 градусов, а некоторые из них могут справиться с температурой около 110 градусов, вблизи с глубоководными источниками, весьма примечательно, что эукариоты — группа более сложных форм жизни, включающая животных и растения (красная водоросль — это растение) — могут жить при температуре в 56 градусов.

Большинство растений и животных не смогли бы стерпеть такие температуры, и тому есть причина. Тепло приводит к разрушению химических связей внутри белков, что приводит к их коллапсу. Это оказывает катастрофическое воздействие на ферменты, которые катализируют химические реакции организма. Мембраны, обволакивающие клетку, начинают протекать. По достижении определенной температуры, мембрана рушится и клетка распадается.

Тем не менее еще более впечатляющей является способность водорослей переносить кислотную среду. Некоторые горячие источники имеют значения pH в диапазоне от 0 до 1. Кислым вещество делают положительно заряженные ионы водорода, известные также как протоны. Эти заряженные протоны мешают белкам и ферментам внутри клеток, портят химические реакции, жизненно необходимые для жизни.

Это происходит потому, что белки удерживаются вместе взаимным притяжением положительных и отрицательно заряженных аминокислот. Когда вы привносите новый груз положительно заряженных частиц, вы нарушаете тонкий баланс, удерживающий белок в целом. Белок больше не может сохранять свою форму и выполнять свою работу правильно.

«Большинство других форм жизни не может противостоять экстремальному теплу или кислотности», говорит Геральд Шойнкнехт, биолог по растениям из Университета Оклахомы в Стилуотере. «Galdieria живет при pH 0, что эквивалентно выживанию в разбавленной аккумуляторной кислоте. Большинство других организмов, даже бактерий, не могут совладать с такими низкими значениями pH».

Тем не менее Galdieria может перетерпеть не только тепло и кислотность. Эта водоросль устойчива к мышьяку, ртути и может жить в очень соленых средах. Эти ядовитые элементы, как правило, смертельны для жизни, поскольку ингибируют важные ферменты, участвующие в дыхании. Слишком много соли, с другой стороны, не дает клеткам растений принимать воду, иссушает их и превращает в сморщенную шелуху.

Чтобы узнать, как Galdieria выдерживает такие экстремальные условия, Шойнкнехт и его коллеги-ученые из Оклахомы и Университета Генриха Гейне в Германии декодировали гены водоросли. И нашли нечто удивительное: вместо того, чтобы унаследовать свои суперспособности от своих предков, водоросли… украли их у бактерий.

Это явление передачи генов известно как «горизонтальный перенос генов». Обычно гены формы жизни наследуются от родителей. У людей точно так: вы можете проследить свои характеристики вдоль ветвей вашего генеалогического древа до самых первых людей.

Тем не менее оказывается, что и сейчас, и тогда «чужие» гены совершенно других видов можно включать себе в ДНК. Этот процесс часто встречается у бактерий. Некоторые утверждают, что это происходит даже у людей, хотя и оспаривается.

Когда чужая ДНК обзаводится новым хозяином, ей не обязательно сидеть сложа руки. Вместо этого она может начать работу над биологией хозяина, поощряя ее создавать новые белки. Это может дать хозяину новые навыки и позволит ему выжить в новых ситуациях. Организм носителя может отправиться совершенно по новому эволюционному пути.

В общей сложности Шойнкнехт идентифицировал 75 украденных генов у морской водоросли, которые она позаимствовала у бактерий или архей. Не все гены дают водоросли очевидное эволюционное преимущество, и точная функция многих генов неизвестна. Но многие из них помогают Galdieria выживать в экстремальной среде.

Ее способность справляться с токсичными химическими веществами, такими как ртуть и мышьяк, исходит из генов, позаимствованных у бактерий.

Один из таких генов отвечает за «мышьяковый насос», позволяющий водоросли эффективно удалять мышьяк из клеток. Другие украденные гены, в числе прочего, позволяют водоросли выделять токсичные металлы, при этом извлекая важные металлы из окружающей среды. Еще одни украденные гены контролируют ферменты, позволяющие водоросли обезвреживать металлы вроде ртути.

Водоросли также сперли гены, позволяющие им выдерживать высокую концентрацию соли. При нормальных обстоятельствах пересоленная среда высосет воду из клетки и убьет ее. Но синтезируя соединения внутри клетки, чтобы уравнять «осмотическое давление», Galdieria избегает этой участи.

Считается, что способность Galdieria переносить чрезвычайно кислые горячие источники обусловлена ее непроницаемостью к протонам. Другими словами, она может просто не дать кислоте попасть в ее клетки. Для этого она просто включает меньше генов, кодирующих каналы в клеточной мембране, через которые обычно проходят протоны. Эти каналы обычно позволяют проходить положительно заряженным частицам вроде калия, который нужен клеткам, но также пропускают и протоны.

«Похоже, что адаптация к низкому уровню pH проводилась за счет удаления любого мембранного транспортного белка из плазматической мембраны, который позволил бы протонам проникать в клетку», говорит Шойнкнехт. «Большинство эукариот имеют множество калиевых каналов в плазматических мембранах, но у Galdieria есть только один ген, кодирующий калиевый канал. Более узкий канал позволяет справляться с высокой кислотностью».

Тем не менее эти калиевые каналы выполняют важную работу, поглощают калий или поддерживают разность потенциалов между клеткой и ее окружением. Как водоросль остается здоровой без калиевых каналов, пока непонятно.

Также никто не знает, как водоросль справляется с высоким теплом. Ученые не смогли идентифицировать гены, которые могли бы объяснить эту конкретную особенность ее биологии.

Бактерии и археи, которые могут жить при очень высоких температурах, имеют белок и мембраны совершенно иного вида, но водоросль прошла через более тонкие изменения, говорит Шойнкнехт. Он подозревает, что она меняет метаболизм липидов мембран при различном росте температур, но пока не знает, как именно это происходит и как позволяет адаптироваться к теплу.

Очевидно, что копирование генов дает Galdieria огромное эволюционное преимущество. В то время как большая часть одноклеточных красных водорослей, родственных G. sulphuraria живет в вулканических районах и вполне справляются с умеренным теплом и кислотами, немногие из ее родственников могут выдержать столько тепла, кислоты и токсичности, сколько G. sulphuraria. На самом деле, в некоторых местах на этот вид приходится до 80-90% жизни — это говорит о том, насколько сложно кому-то еще назвать дом G. sulphuraria своим.

Остается еще один очевидный и интересный вопрос: как водоросль смогла украсть так много генов?

Эта водоросль живет в среде, которая содержит много бактерий и архей, поэтому в каком-то смысле возможность красть гены у нее есть. Но ученые не знают точно, как ДНК перескочила от бактерий к настолько иному организму. Чтобы успешно попасть к хозяину, ДНК сначала должна попасть в клетку, а затем в ядро — и только потом включить себя в геном хозяина.

«Лучшие догадки в настоящее время — что вирусы могли передать генетический материал от бактерий и архей водорослям. Но это чистое предположение», говорит Шойнкнехт. «Может быть, попасть в клетку — самый трудный шаг. Оказавшись внутри клетки, попасть в ядро и интегрироваться в геном может быть не так сложно.

Горизонтальный перенос генов часто происходит у бактерий. Именно поэтому у нас возникают проблемы с устойчивостью к антибиотикам. Как только появляется устойчивый ген, он быстро распространяется среди бактерий. Однако считалось, что обмен генами реже происходит у более развитых организмов, чем у эукариотов. Считалось, что у бактерий есть специальные системы, позволяющие им принимать нуклеиновые кислоты, таких у эукариот нет.

Тем не менее другие примеры продвинутых существ, крадущих гены, чтобы выжить в экстремальных условиях, уже находили. Разновидность снежных водорослей Chloromonas brevispina, живущая в снегах и льдах Антарктиды, несет гены, которые, вероятно, были взяты у бактерий, архей или даже грибов.

Острые кристаллы льда могут прокалывать и перфорировать клеточные мембраны, поэтому существа, живущие в холодном климате, должны найти способ борьбы с этим. Один из способов — производить связывающие лед белки (IBP), которые секретируются в клетке, цепляющейся за лед, останавливая рост кристаллов льда.

Джеймс Реймонд из Университета Невады в Лас-Вегасе составил карту генома снежной водоросли и обнаружил, что гены связывающих лед белков были на удивление схожи у бактерий, архей и грибов, что говорит о том, что они все обменялись способностью выживать в холодных условиях в процессе горизонтального переноса генов.

«Эти гены необходимы для выживания, поскольку были найдены в каждой приспособленной для жизни в холоде водоросли и ни в одной живущей в теплых условиях», говорит Реймонд.

Есть несколько других примеров горизонтального переноса генов у эукариот. Крошечные ракообразные, живущие в морских антарктических льдах, похоже, тоже приобрели этот навык. Эти рачки Stephos longipes могут жить в жидких соленых каналах во льду.

«Полевые измерения показали, что C. longipes живут в переохлажденных рассолах на поверхностном слое льда», говорит Райнер Кико, ученый из Института полярной экологии при Университета Киль в Германии. «Переохлажденные означает то, что температура этой жидкости ниже точки замерзания и зависит от солености».

Чтобы выжить и не дать себе замерзнуть, в крови S. longipes и других жидкостях его организма присутствуют молекулы, понижающие температуру замерзания, чтобы соответствовать воде вокруг. При этом ракообразные производят белки-незамерзайки, которые не позволяют формироваться кристаллам льда в крови.

Предполагается, что этот белок тоже был получен вследствие горизонтального переноса генов.

У красивой бабочки-монарха тоже могут быть украденные гены, но на этот раз от паразитической осы.

Оса-блестянка из семейства браконид известна тем, что внедряет яйцо вместе с вирусом в насекомое-хозяина. ДНК вируса взламывает мозг хозяина, превращая его в зомби, который затем действует как инкубатор для яйца осы. Ученые обнаружили гены драконид в бабочках, даже если эти бабочки никогда не встречались с осами. Как полагают, они делают бабочек более устойчивыми к болезням.

Эукариоты воруют не только отдельные гены. Иногда кражи проходят с размахом.

Ярко-зеленый морской обитатель Elysia chlorotica, как полагают, приобрел способность фотосинтеза в процессе поедания водорослей. Этот морской слизень глотает хлоропласты — органеллы, которые выполняют фотосинтез — целиком и хранит в пищеварительных железах. Когда прижмет, а водорослей в пищу нет, морской слизень может выжить, используя энергию солнечного света, чтобы преобразовать углекислый газ и воду в пищу.

Одно исследование показывает, что морские слизни также берут гены у водорослей. Ученые вставляют флуоресцентные маркеры ДНК в геном водорослей, чтобы увидеть, где именно были гены. После кормления водорослями, морской слизень приобрел ген, отвечающий за восстановление хлоропластов.

В то же время, клетки в нашем организме содержат крошечные вырабатывающие энергию структуры, митохондрии, которые отличаются от остальных наших клеточных структур. У митохондрий даже есть собственная ДНК.

Есть теория, что митохондрии существовали как самостоятельные формы жизни миллиарды лет назад, но затем каким-то образом стали включаться в клетки первых эукариот — возможно, митохондрии были проглочены, но не переварились. Это событие, как полагают, произошло около 1,5 миллиарда лет назад и стало ключевой вехой в эволюции всех высших форм жизни, растений и животных.

Возможно, воровство генов является довольно распространенной тактикой эволюции. В конце концов, она позволяет другим делать всю тяжелую работу за вас, пока вы пожинаете плоды. В качестве альтернативы, горизонтальный перенос генов может ускорять уже начавшийся эволюционный процесс.

«Организм, который не адаптировался к теплу или кислоте, вряд ли внезапно заселит вулканические бассейны просто, потому что получил нужные гены, — говорит Шойнкнехт. — Но эволюция это почти всегда пошаговый процесс, и горизонтальный перенос генов позволяет делать большие скачки вперед».