Розшифрований генетичний механізм, що дозволяє бактеріям відрізняти - своїх - від - чужих -
Американські мікробіологи виявили в геномі бактеріїProteus mirabilisділянку, що відповідає за самоідентифікацію та взаємне впізнавання мікробів. Мутації у цій ділянці можуть призводити до миттєвого поділу популяції бактерій на групи, які стосуються одне одного як до «чужинців». Представники таких груп відмовляються утворювати змішані скупчення, що можна як початковий етап видообразования.
Протея має властивість, що робить його дуже зручним об'єктом для вивчення механізмів розрізнення своїх і чужих. Коли дві колонії або "зграї" (swarms)Proteus mirabilisзустрічаються на поверхні живильного середовища, відбувається одне з двох: або колонії зливаються, або вони зберігають самостійність. У разі між ними утворюється добре видима кордон. Вибір одного з двох варіантів залежить від ступеня спорідненості. Якщо обидві зграї належать до того самого штаму (клону, генетичної лінії), вони, швидше за все, зіллються; якщо до різних - між ними, швидше за все, виникне кордон. Ця особливість використовується в медичній практиці для ідентифікації штамів мікроба.
Раніше було встановлено, що багато штами Proteus mirabilis виділяють токсичні білки - протицини, призначені для боротьби з конкуруючими штамами. Кожен штам виділяє свій протицин, до якого він стійкий, і до того ж має стійкість до деяких (але не всіх) чужих протицинів. Однак утворення кордонів між неспорідненими зграями визначається не протицинами, а чимось іншим. Справа в тому, що деякі штами не виділяють протицинів, але при цьому все одно утворюють межі, в тому числі з іншими штамами, позбавленими протицинів.
Щоб з'ясуватиПричини цього явища дослідники змусили бактерій швидко мутувати, активізувавши переміщення мобільних генетичних елементів (транспозонів). З одного "предкового" штаму (BB2000) було отримано 3600 мутантних штамів-нащадків. Серед них виявився один, який відмовився змішуватися з іншими мутантами та з предковим штамом BB2000. Його назвали Ids (від слів "identification of self" - "самоідентифікація"). Очевидно, у штамі Ids відбулася мутація, яка змусила цей штам змінити свою самоідентифікацію та почати сприймати батьківський штам BB2000 як «чужий».
Тепер треба було з'ясувати природу цієї мутації. Виявилося, що у штаму Ids транспозон вбудувався в ділянку геному, що містить шість генів, функції яких досі не були відомі. Вчені позначили цю ділянкуidsABCDEF. Очевидно, транспозон порушив нормальну роботу цих генів, що призвело до «відчуження» бактерій-мутантів від предків і родичів.
Щоб перевірити це припущення, у бактерій із предкового штаму BB2000 видалили всі шість генів. Вийшли мутанти, які вважали штам Ids "своїм", а предків - "чужими". Стало ясно, що дані шість генів справді відіграють ключову роль у самоідентифікації бактерій та у розрізненні своїх та чужих.
Після цього почалася копітка генно-інженерна робота з метою з'ясування функцій кожного з шести генів окремо. Ця робота ще далека від завершення: вчені поки що повідомили лише про попередні результати.
З'ясувалося, що видалення генаidsAсаме собою не веде до зміни самоідентифікації бактерій. Цей ген, мабуть, грає якусь допоміжну роль. Однак видалення або поломка хоча б одного з генівidsB, idsC, idsD, idsE, idsFпризводить до того, що бактерії починають вважатипредковий штам "чужим". При цьому бактерії, у яких видалено генB, C, DабоE, вважають «своїми» бактерій, у яких видалено всі шість генів. Однак бактерії з віддаленим геномFвважають «чужими» всіх, крім самих себе.
Дослідники виявили, що схожі генетичні системи ідентифікації є і в інших штамів Proteus mirabilis, а також в інших видів бактерій. Була проведена додаткова серія експериментів, в якій ділянкаidsABCDEFпересідала (цілком або вроздріб) іншому, неспорідненому штамуProteus mirabilis(штам HI4320) на додаток до його власної генетичної ідентифікаційної системи. Бактерії зі штаму HI4320, яким ділянкуidsABCDEFвід штаму BB2000 пересадили повністю, починають вважати свій рідний штам HI4320 «чужим». Однак якщо в пересадженій ділянці пошкоджено генDабоE, відчуження не відбувається: бактерії продовжують вважати штам HI4320 "своїм".
Ці та інші, ще складніші експерименти дозволили вченим встановити, що найважливішу роль розрізненні своїх і чужих грають гениDіE. Саме вони визначають "індивідуальність" бактерії. У цих генах виявилися варіабельні області, тобто ділянки, що різняться у різних штамів. ГениDтаEутворюють унікальну генетичну «ідентифікаційну картку», за якою штами бактерій розрізняють один одного.
ГениB,CіF, мабуть, потрібні для того, щоб ця «ідентифікаційна картка» могла бути належним чином представлена та пізнана. У різних штамів ці гени відрізняються слабо (мають схожі нуклеотидні послідовності), і якщо взяти будь-який з цих генів в одного штаму і пересадити іншому, самоідентифікація бактерій не зміниться.
Судячи з рядунепрямих ознак, система ідентифікації уProteus mirabilisне обмежена ділянкоюidsABCDEF.Швидше за все, існують і інші, поки що не виявлені гени, що беруть участь у розрізненні своїх та чужих. Вся система в цілому може виявитися дуже складною та багатоплановою.
Дослідження наочно продемонструвало, що однієї-єдиної мутації може бути достатньо радикальної зміни самоідентифікації організмів: мутанти починають вважати батьківський штам «чужим» і відмовляються утворювати з ним змішані колонії. Звичайно, це не можна назвати видоутворенням у повному розумінні слова – поняття «видоутворення» взагалі досить важко прикласти до організмів, позбавлених справжнього статевого розмноження. Але можливі аналогії та паралелі цілком очевидні. Принаймні, зрозуміло, що в організмів зі статевим розмноженням від «несмішуваності» популяцій, відмови від утворення змішаних груп до «несхрещуваності» — головного критерію видоутворення — щонайбільше один крок.
Джерело:Karine A. Gibbs, Mark L. Urbanowski, E. Peter Greenberg. Genetic Determinants of Self Identity and Social Recognition in Bacteria //Science. 2008. V. 321. P. 256-259.