I.1. Примеры редукции геномов.
До последнего времени считалось, что наиболее яркие примеры редуктивной эволюции связаны с патогенными микроорганизмами или эндосимбионтами[68, 8, 54, 109]. Ниже представлены наиболее демонстративные примеры редуктивной эволюции. В этих примерах приведены данные о микроорганизмах, претерпевших утрату генов и обладающих редуцированными геномами, и их ближайших родственниках, которых этот процесс миновал. Одним из отличий возбудителя чумы Yersinia pestis от возбудителей кишечных иерсиниозов Yersinia pseudotuberculosis и Yersinia enterocolitica является утрата первым функций определённых генов. При сравнении нуклеотидных последовательностей Y. pseudotuberculosis и Y. pestis установлено, что за время после отщепления от общего (с Y. pseudotuberculosis)предшественника возбудитель чумы Y. pestis приобрёл 32 гена, но утратил функции более 460 генов. На настоящий момент в геноме Y. pestis не работает (делетированные плюс мутантные) около 13% генов, которые функционируют в Y. pseudotuberculosis. При этом за счет инактивации (не утраты генетического материала, а превращения в псевдоген) потеряна функция 208 генов Y.pestis. За период с момента дивергенции в геноме Y. pseudotuberculosis произошло только 8 транспозиционных событий, закреплённых отбором. В то же время, в геноме Y. pestis имела место настоящая экспансия мигрирующих генетических элементов (МГЭ), принадлежащих каждому из присутствующих в геноме семейств МГЭ. Сейчас геном Y. pseudotuberculosis содержит 20 IS-элементов, тогда как геном Y. pestis около 130 [31].(Табл. 1). Таким образом, в ходе непродолжительной эволюции Y. pestis наблюдались события трёх видов: а) утрата функций ряда генов при сохранении их генетического материала, б) потеря самих генов (значительно преобладающая над приобретением за счёт горизонтального переноса) и в) активное распространение мигрирующих элементов. Оценивая объём эволюционных событий, произошедших со времени дивергенции Y.pseudotuberculosis и Y.pestis, не следует забывать, что эта дивергенция началась очень недавно (2000-15000 лет) и всё произошло по меткому выражению Брендана Рена «пока эволюция моргнула»[117]. У возбудителя проказы Mycobacterium leprae, также как и в случае возбудителя чумы, при формировании современного генома имели место редукционные события двух типов: утраты функции генов за счёт их превращения в псевдогены и полной потери определённых сегментов генетического материала, в состав которых входят кодирующие гены. Сравнение проводили с ближайшим генетическим родственником — возбудителем туберкулёза Mycobacterium tuberculosis. Согласно расчёту, возбудитель проказы в ходе редуктивной эволюции потерял около 2000 генов. [34]. (Табл. 1, Рис. 1а,б).
Рис. 1 a. Размеры геномов Micobacterium leprae и Micobacterium tuberculosis (полный круг — геном Micobacterium tuberculosis, голубой сектор — геном Micobacterium leprae, вишнёвый сектор — разница между геномами).
Рис. 1 б. Белок кодирующие гены Micobacterium leprae и Micobacterium tuberculosis (полный круг — гены Micobacterium tuberculosis, голубой сектор — геном Micobacterium leprae, желтый сектор — разница между геномами).
Утрата значительной части генома в ходе редуктивной эволюции зарегистрирована у возбудителя коклюша Bordetella pertussis [76]Этот возбудитель поражает только людей. Его ближайшими родственниками являются Bordetella parapertussis и Bordetella bronchiseptica. B. parapertussis вызывает заболевание, аналогичное коклюшу, у людей иовец, а B. bronchiseptica часто выделяется от свиней и других млекопитающих и редко от людей. Сиквенирование геномов представителей этих видов бордетелл показало, что геном B. pertussis существенно меньше (4 086 186 н.п. против 5 338 400 н.п.) генома B. bronchiseptica и содержит на несколько сотен кодирующих генов меньше (Табл. 1). Геном B. pertussis содержит 261 инсерционных элемента, среди которых IS481, IS1002 и IS1663, отсутствующие у B. bronchiseptica, причём IS481 представлен в количестве 238 копий [76, 38]. Нечто похожее наблюдается и у бартонелл. Геном Bartonella quintana, которая поражает только людей, вызывая у них траншейную лихорадку, состоит из 1 581 384 н.п. и содержит 1142 гена, кодирующих белки, тогда как геном ближайшего родственника — Bartonella henselae, вызывающей болезнь кошачьих царапин, состоит из 1 931 047 н.п. и содержит 1488 белок кодирующих генов (Табл. 1). Геном B. henselae содержит 301 уникальный ген (по сравнению с B. quintana), тогда как геном B. quintana — только 26 уникальных генов. Ещё более интересен пример редуктивной эволюции у представителей рода Burkholderia. Сейчас сиквенированы геномы представителей трёх родственных видов: Burkholderia mallei, Burkholderia pseudomallei и Burkholderia thailandensis. B. mallei — возбудитель сапа, B. pseudomallei — возбудитель мелиоидоза, а B. thailandensis — непатогенный сапрофит, обитающий в почве. Данные сравнительной геномики показали, что геномы бактерий этих трёх видов высоко гомологичны, однако, в геномах B. mallei и B. thailandensis отсутствует значительное количество фрагментов, присутствующих в геноме B. pseudomallei. Соответственно, и общее количество генов, и количество генов, кодирующих белки, больше в геноме B. pseudomallei по сравнению с геномами B. mallei и B. thailandensis (Табл.1, Рис.2 а,б). [73, 55].
Рис. 2 а. Размеры геномов Burkholderia mallei и Burkholderia pseudomallei (полный круг — геном Burkholderia pseudomallei, голубой сектор — геном Burkholderia mallei, вишнёвый сектор — разница между геномами).
Рис. 2 б. Белок кодирующие гены Burkholderia mallei и Burkholderia pseudomallei (полный круг — геном Burkholderia pseudomallei, голубой сектор — геном Burkholderia mallei, вишнёвый сектор — разница между геномами).
При этом, в отличие от B. pseudomallei и B. thailandensis, B. mallei содержит в своём геноме большое количество IS-элементов (171 копия), за счёт которых можно отнести перемещение и утрату генов. Аналогичная закономерность наблюдается в случаях Y.pestis и B.pertussis,геномы которых содержат существенно больше мигрирующих элементов, чем их менее вирулентные близкие родственники [31, 76]. Это противоречит утверждению [66], согласно которому мобиильные элементы, повторы и вызываемые ими геномные перестройки более характерны для свободноживущих микроорганизмов. Приведенные примеры далеко не исчерпывают весь ассортимент редукции геномов у возбудителей инфекционных болезней. Редуцированными являются геномы Chlamidia trachomatis (1,04 м.н.п.), Treponema pallidum (1,14 м.н.п.), Rickettsia prowachekii (1,1 м.н.п.) [84]. При этом важно отметить, что процесс редукции у различных возбудителей происходил на протяжении разного времени и, соответственно, привёл к последствиям разного масштаба. Утрата частей генома, наблюдаемая у возбудителей инфекций, имеет место и у эндосимбионтов. К настоящему времени накопилось достаточно примеров облигатного мутуализма между эндосимбионтами и их хозяевами. Наиболее изученными являются бактерии Buchnera aphidicola - эндосимбионт тлей, Wigglesworthia glossinidia и Sodalis glossinidius — эндосимбионты мухи це-це Glossina brevipalpis, Carsonella ruddii — эндосимбионт азиатской цитрусовой псилиды Diaphorina citri (насекомое, похожее на маленькую цикаду), Sitophilus ozyrae (SOPE) — эндосимбионт долгоносиков, Blattobacterium — эндосимбионт тараканов, Blochmannia — эндосимбионт муравьёв семейств Formicineae и Camponotus. [см. 111, 84]. Вследствие инфекции предшественником Escherichia coli растительных тлей, произошедшей сотни миллионов лет назад, возник новый вид — эндосимбионт B. aphidicola. К настоящему времени геном B. aphidicola утратил большую часть исходного генетического материала (сравнение с E. coli). Показано, что существуют штаммы B. aphidicola, (выделенные из афид Cinara cedri), геном которых составляет 450 т.н.п., что даже меньше генома Mycoplasma genitalium [45]. Другой эндосимбионт Wigglesworthia glossinidia brevipalpis также происходит от энтеробактерии, многие миллионы лет назад поселившейся в клетках мухи це-це — переносчика возбудителя сонной болезни Trypanosoma brucei. Современный геном W. glossinidia состоит из одной хромосомы размером 697.724 н.п., которая содержит 611 белок кодирующих генов, и одной плазмиды pWig1 размером 5.200 н.п. В хромосоме сохранены гены биосинтеза витаминов и другие метаболические гены, необходимые для жизни и размножения мухи. Удивительно, что у W. glossinidia сохранились некоторые гены, необходимые для свободного образа жизни, например, гены жгутиков. Необычна утрата этим геномом гена dnaA [8]. Однако на настоящий момент обладателем рекордно малого генома является Carsonella ruddii — эндосимбионт псилиды Diaphorina citri. Геном этой бактерии состоит всего из 159 662 н.п. и содержит только 182 белок-кодирующих генов [71]. Таким образом, мы наблюдаем потерю генетического материала у возбудителей инфекционных болезней и эндосимбионтов и отсутствие этого явления (во всяком случае, в таких масштабах) у близкородственных штаммов.
|
