Сколько бактериальных генов уместится в одном человеке?
В геноме людей и высших животных можно найти много генов, которые пришли к ним от низших организмов и продолжают работать на благо своих новых хозяев.
В человеческом геноме можно найти 145 генов, которые попали к нам от бактерий и простейших эукариот – к такому выводу пришли исследователи из Кембриджа, сравнивших геномы нескольких десятков видов живых организмов. Результаты работы опубликованы в Genome Biology.
Гены, непохожие на человеческие, у людей находили и раньше, однако ещё не так давно это считалось нонсенсом – как гены бактерий могли бы появиться в наших хромосомах? Наличие чужих последовательностей объясняли либо эволюционным сближением (то есть человеческий или бактериальный ген под давлением естественного отбора делался похож на бактериального или человеческого «коллегу»), либо просто несовершенством методов, используемых для прочтения-секвенирования нуклеотидных последовательностей.
С другой стороны, известно, что у бактерий очень широко распространён горизонтальный перенос генов (ГПГ): когда какая-то последовательность ДНК переходит не по наследству от родителя к потомку, а от одной бактериальной клетки к другой вне процесса размножения. Бактерии могут передавать и принимать чужую ДНК в процессе конъюгации друг с другом, или же когда одна клетка поглощает другую, или же просто подбирая из окружающей среды ДНК, оставшуюся от другой клетки. Масштабы и важность ГПГ трудно переоценить, ведь во многом именно благодаря горизонтальному переносу генов бактерии обеспечивают себе генетическое разнообразие и потому могут приспосабливаться к меняющимся условиям, осваивать новые субстраты и т. д. У эукариот же, к которым относимся и мы с вами, генетическое разнообразие создаётся перетасовкой хромосом (и частей хромосом) при половом размножении, так что горизонтальный перенос генов эукариотам вроде бы и не нужен, и что если он у кого и есть, то только у низших, одноклеточных форм.
Но потом стали появляться данные, говорившие о том, что и у высших эукариот горизонтальный перенос имеет место. Один из самых известных примеров – взаимоотношения бактерии-симбионта вольбахии с её хозяевами: членистоногие, в которых она живёт, приобрели от вольбахии некоторые из её генов. Также удалось показать, что в некоторых клетках человека есть гены бактерий, которые могут запускать неконтролируемое клеточное деление и превращение нормальных клеток в раковые. Бактериальное происхождение было показано также для гена FTO, мутации в котором, как считается, служат одной из главных причин ожирения. Вообще же число чужеродных генов у человека не превышало 17.
Однако систематического анализа того, насколько перенос генов распространён среди эукариот, долгое время никто не предпринимал, и все предпочитали ссылаться на работы начала 2000-х годов, в которых говорилось, что у высших животных, и уж тем более у человека, ничего такого не происходит. Теперь эту точку зрения, по-видимому, придётся пересмотреть. Аластер Крисп (Alastair Crisp) и его коллеги выбрали для сравнения 40 геномов животных, от приматов до червей. Специальный алгоритм оценивал каждый ген на предмет его сходства последовательностями из бактерий и простейших. Понятно, что ген, попав в животную клетку, должен был измениться, так что 100-процентного сходства никто не ожидал. Но, если последовательность была на 55-88% похожа на бактериальную, то её считали появившейся у животного в результате ГПГ.
Сами авторы работы говорят, что в целом такая распространённость горизонтального переноса среди эукариот для них не стала большим сюрпризом – гораздо удивительней было то, что у позвоночных и беспозвоночных он шёл с одинаковой частотой. Впрочем, относительно некоторых видов исследователи не вполне уверены, что им удалось точно оценить количество «горизонтально-перенесённых» генов: проблема в том, что не у всех животных геномы прочитаны с должной тщательностью, и кое-где следы переноса могут быть ложными. Однако насчёт самых изученных геномов, принадлежащих человеку, дрозофиле Drosophila melanogaster и нематоде Caenorhabditis elegans, сомневаться не приходится – в них действительно можно найти довольно много генов из бактерий. При этом они, встроившись в хромосому животной клетки, как бы одомашниваются, приобретая черты собственно животных генов. Так, 95% чужих генов в геномах приматов и некоторых нематод приобрели интроны – нечитаемые фрагменты ДНК, которые характерны именно для эукариот. Многие из «переехавших» генов продолжают работать на новом «месте жительства», и у людей они кодируют некоторые иммунные белки и многие метаболические ферменты, отвечающие за расщепление жирных кислот, аминокислотный обмен и ряд других биохимических процессов. (Например, фермент, синтезирующий у нас гиалуроновую кислоту, которая нужна соединительной, эпителиальной и нервной тканям, попал к нам, по всей видимости, от грибов.)
В геном людей бактериальные гены проникли довольно давно, ещё во времена нашего общего с другими приматами предка. По сравнению с нами у мух дрозофил и червей нематод горизонтальный перенос последний раз происходил гораздо позже. Как новые гены встраиваются в многоуровневую молекулярную систему управления генетической активностью, которая у эукариот славится своей сложностью, ещё предстоит выяснить. Разные виды могут быть в разной степени склонны принимать гены бактерий, однако эволюционные последствия таких событий, несмотря на их редкость, могут быть громадными. Вспомним, к примеру, недавнюю работу сотрудников из Лионского университета, которые показали, что грибы смогли вступить в симбиоз с растениями именно благодаря бактериальным генам. (Грибы, как мы помним, тоже относятся к эукариотам.)
С другой стороны, некоторые специалисты настроены в отношении новых результатов вполне скептически: дескать, в новой работе опять не уделили должного внимания альтернативным объяснениям, почему мы вдруг обнаруживаем бактериальные гены в человеческой ДНК (а среди таких объяснений, как мы говорили выше, могут быть самые разные, от эволюционных до методических). Хотя, очевидно, дальнейшая дискуссия здесь будет идти относительно того, насколько часто такие события происходят – в том, что такой перенос в принципе возможен, сомнений почти ни у кого не осталось.
