Элементы Элементы большой науки

Поставить закладку

Напишите нам

Карта сайта

Содержание
Энциклопедия
Новости науки
LHC
Картинка дня
Библиотека
Видеотека
Книжный клуб
Задачи
Масштабы: времена
Детские вопросы
Плакаты
Научный календарь
Наука и право
ЖОБ
Наука в Рунете

Поиск

Подпишитесь на «Элементы»



ВКонтакте
в Твиттере
в Фейсбуке
на Youtube
в Instagram



Библиотека

 
Л. Краусс
«Страх физики». Глава из книги


А. Акопян
Как ищут тёмную материю


И. Акулич
Идеальный почтовый индекс


А. Бердников
Интерференция в домашних условиях. Плёнки и антиплёнки


Интервью с Л. Марголисом
Леонид Марголис: «Мне всегда было интересно, как клетки разговаривают друг с другом»


А. Иванов
Сибирь и Северная Америка были единым целым более миллиарда лет назад


П. Амнуэль
Одиночество во Вселенной


Р. Фишман
Детективы каменного века


О. Макаров
Животные, которые дарят надежду


Б. Штерн
Шкловский — 100







Главная / Новости науки версия для печати

Расшифрован генетический механизм, позволяющий бактериям отличать «своих» от «чужих»


Согласованные массовые передвижения (swarming) бактерий Proteus mirabilis приводят к образованию характерных концентрических колец на поверхности питательной среды. Фото с сайта www.microbiologyatlas.kvl.dk
Согласованные массовые передвижения (swarming) бактерий Proteus mirabilis приводят к образованию характерных концентрических колец на поверхности питательной среды. Фото с сайта www.microbiologyatlas.kvl.dk

Американские микробиологи выявили в геноме бактерии Proteus mirabilis участок, отвечающий за самоидентификацию и взаимное узнавание микробов. Мутации в этом участке могут приводить к мгновенному разделению популяции микробов на группы, относящиеся друг к другу как к «чужакам». Представители таких групп отказываются образовывать смешанные скопления, что можно рассматривать как начальный этап видообразования.

Способность отличать своих от чужих — одно из фундаментальных свойств живых организмов. На этой способности основаны важнейшие биологические процессы и явления, в том числе половое размножение (выбор партнера), видообразование (формирование репродуктивной изоляции), защита от патогенных микробов и вирусов, отторжение чужеродных тканей, колониальность, многоклеточность, социальность, включая разные формы кооперации и даже альтруизма (который, как правило, направлен на «своих», прежде всего на родственников).

В ходе эволюции у разных организмов развились разнообразные, в том числе весьма сложные и эффективные, механизмы различения своего и чужого. У высших организмов (эукариот) эти механизмы изучены значительно лучше, чем у прокариот (бактерий и архей). Однако у прокариот они тоже имеются. Например, многие бактерии ведут общественный образ жизни и даже способны к своеобразным проявлениям альтруизма (см.: Бактерии-альтруисты помогают своим сородичам-каннибалам себя съесть, «Элементы», 27.02.2006). Если бы микробы совершенно не умели отличать своих от чужих (то есть родственников от неродственников), естественный отбор не смог бы развить у них сложное социальное поведение и тем более альтруизм (см.: Родственный отбор).

Генетические и биохимические основы различения своих и чужих у бактерий изучены пока слабо, и каждое новое открытие в этой области привлекает к себе большое внимание. Американские микробиологи сообщили в последнем номере журнала Science о расшифровке механизма взаимной идентификации у бактерии протея (Proteus mirabilis). Этот микроб живет в пищеварительном тракте человека и обычно безвреден, но при неблагоприятном стечении обстоятельств может вызывать инфекции мочевыводящей системы. Для протея характерно сложное социальное поведение, выражающееся, в частности, в согласованных передвижениях больших групп бактериальных клеток (см. Swarming motility).

У протея есть свойство, делающее его очень удобным объектом для изучения механизмов различения своих и чужих. Когда две колонии или «стаи» (swarms) Proteus mirabilis встречаются на поверхности питательной среды, происходит одно из двух: либо колонии сливаются, либо они сохраняют самостоятельность. В последнем случае между ними образуется хорошо видимая граница. Выбор одного из двух вариантов зависит от степени родства. Если обе стаи принадлежат к одному и тому же штамму (клону, генетической линии), они, скорее всего, сольются; если к разным — между ними, скорее всего, возникнет граница. Данная особенность используется в медицинской практике для идентификации штаммов микроба.

Ранее было установлено, что многие штаммы Proteus mirabilis выделяют токсичные белки — протицины, предназначенные для борьбы с конкурирующими штаммами. Каждый штамм выделяет свой протицин, к которому он устойчив, и к тому же обладает устойчивостью к некоторым (но не всем) чужим протицинам. Однако образование границ между неродственными стаями определяется не протицинами, а чем-то другим. Дело в том, что некоторые штаммы не выделяют протицинов, но при этом всё равно образуют границы, в том числе и с другими штаммами, лишенными протицинов.

Чтобы выяснить причины этого явления, исследователи заставили бактерий быстро мутировать, активизировав перемещения мобильных генетических элементов (транспозонов). Из одного «предкового» штамма (BB2000) было получено 3600 мутантных штаммов-потомков. Среди них обнаружился один, который отказался смешиваться с другими мутантами и с предковым штаммом BB2000. Его назвали Ids (от слов «identification of self» — «самоидентификация»). Очевидно, в штамме Ids произошла мутация, заставившая этот штамм изменить свою самоидентификацию и начать воспринимать родительский штамм BB2000 как «чужой».

Колонии предкового (BB) и мутантных (1B1) штаммов Proteus mirabilis на поверхности питательной среды в чашке Петри. Видны резкие прямые границы, образовавшиеся между мутантами и их предками. В данном случае все четыре «мутантных» колонии являются производными штамма Ids, у которого из-за внедрения транспозона нарушилась работа «генетической идентификационной системы». Между мутантными колониями резких границ нет, так же как и между двумя «предковыми» колониями. Масштаб 1 см. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science
Колонии предкового (BB) и мутантных (1B1) штаммов Proteus mirabilis на поверхности питательной среды в чашке Петри. Видны резкие прямые границы, образовавшиеся между мутантами и их предками. В данном случае все четыре «мутантных» колонии являются производными штамма Ids, у которого из-за внедрения транспозона нарушилась работа «генетической идентификационной системы». Между мутантными колониями резких границ нет, так же как и между двумя «предковыми» колониями. Масштаб 1 см. Фото из дополнительных материалов к обсуждаемой статье в Science

Теперь нужно было выяснить природу этой мутации. Оказалось, что у штамма Ids транспозон встроился в участок генома, содержащий шесть генов, функции которых до сих пор не были известны. Ученые обозначили этот участок idsABCDEF. По-видимому, транспозон нарушил нормальную работу этих генов, что и привело к «отчуждению» бактерий-мутантов от предков и родственников.

Чтобы проверить это предположение, у бактерий из предкового штамма BB2000 удалили все шесть генов. Получились мутанты, которые считали штамм Ids «своим», а предков — «чужими». Стало ясно, что данные шесть генов действительно играют ключевую роль в самоидентификации бактерий и в различении своих и чужих.

После этого началась кропотливая генно-инженерная работа с целью выяснения функций каждого из шести генов в отдельности. Эта работа еще далека от завершения: ученые пока сообщили только о предварительных результатах.

Выяснилось, что удаление гена idsA само по себе не ведет к изменению самоидентификации бактерий. Этот ген, по-видимому, играет какую-то вспомогательную роль. Однако удаление или поломка хотя бы одного из генов idsB, idsC, idsD, idsE, idsF приводит к тому, что бактерии начинают считать предковый штамм «чужим». При этом бактерии, у которых удален ген B, C, D или E, считают «своими» бактерий, у которых удалены все шесть генов. Однако бактерии с удаленным геном F считают «чужими» всех, кроме самих себя.

Исследователи обнаружили, что похожие генетические системы идентификации есть и у других штаммов Proteus mirabilis, а также у других видов бактерий. Была проведена дополнительная серия экспериментов, в которой участок idsABCDEF пересаживался (целиком или по частям) другому, неродственному штамму Proteus mirabilis (штамм HI4320) вдобавок к его собственной генетической идентификационной системе. Бактерии из штамма HI4320, которым участок idsABCDEF от штамма BB2000 пересадили целиком, начинают считать свой родной штамм HI4320 «чужим». Однако если в пересаженном участке поврежден ген D или E, отчуждения не происходит: бактерии продолжают считать штамм HI4320 «своим».

Эти и другие, еще более сложные эксперименты позволили ученым установить, что самую важную роль в различении своих и чужих играют гены D и E. Именно они определяют «индивидуальность» бактерии. В этих генах обнаружились вариабельные области, то есть участки, сильно различающиеся у разных штаммов. Гены D и E образуют уникальную генетическую «идентификационную карточку», по которой штаммы бактерий различают друг друга.

Гены B, C и F, по-видимому, нужны для того, чтобы эта «идентификационная карточка» могла быть должным образом представлена и опознана. У разных штаммов эти гены различаются слабо (имеют похожие нуклеотидные последовательности), и если взять любой из этих генов у одного штамма и пересадить другому, самоидентификация бактерий не изменится.

Судя по ряду косвенных признаков, система идентификации у Proteus mirabilis не ограничена участком idsABCDEF. Скорее всего, существуют и другие, пока еще не выявленные гены, участвующие в различении своих и чужих. Вся система в целом может оказаться весьма сложной и многоплановой.

Исследование наглядно продемонстрировало, что одной-единственной мутации может быть достаточно для радикального изменения самоидентификации организмов: мутанты начинают считать родительский штамм «чужим» и отказываются образовывать с ним смешанные колонии. Конечно, это нельзя назвать видообразованием в полном смысле слова — понятие «видообразование» вообще довольно трудно приложить к организмам, лишенным настоящего полового размножения. Но возможные аналогии и параллели вполне очевидны. По крайней мере, ясно, что у организмов с половым размножением от «несмешиваемости» популяций, отказа от образования смешанных групп, до «нескрещиваемости» — главного критерия видообразования — самое большее один шаг.

Источник: 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.

См. также:
1) Как отличить своих от чужих? Неканонические механизмы репродуктивной изоляции.
2) Видообразование — личное дело каждого, «Элементы», 15.02.2006.
3) А. В. Марков, А. М. Куликов. Гипотеза иммунологического тестирования партнеров — системы распознавания «своих» и «чужих» в исторической перспективе.

Александр Марков


Комментировать



Последние новости: ГенетикаАлександр Марков

11.07
Архаичные гены костных ганоидов разнообразнее, чем у более молодых групп позвоночных
5.07
Биоразнообразие стимулирует собственный рост
28.06
Подростки лучше учатся на положительном опыте, чем на отрицательном
21.06
Кишечная бактерия влияет на социальное поведение мышей
15.06
Получение генов пектиназ от протеобактерий резко ускорило видообразование палочников
14.06
Полиплоидность предков эукариот — ключ к пониманию происхождения митоза и мейоза
10.06
Удалось выяснить, почему рак может уснуть и проснуться через много лет
7.06
Индийская община Бней-Исраэль не может быть одним из десяти потерянных колен
6.06
Промышленный меланизм бабочек получил генетическое объяснение
2.06
Обнаружено фундаментальное сходство между развитием актинии и развитием позвоночных

Научная картинка дня


Новости науки по темам: антропология, археология, астрономическая научная картинка дня, астрономия, биология, биотехнологии, генетика, геология, затмения, информационные технологии, космос, лингвистика, математика, медицина, нанотехнологии, наука в России, наука и общество, Нобелевские премии, палеонтология, Первое апреля, психология, технологии, физика, химия, эволюция, экология, энергетика, этология

Новости науки по авторам: Валентин Анаников, Дарья Баранова, Вера Башмакова, Александр Бердичевский, Максим Борисов, Варвара Веденина, Александр Венедюхин, Михаил Волович, Михаил Гарбузов, Алексей Гиляров, Дмитрий Гиляров, Сергей Глаголев, Евгений Гордеев, Николай Горностаев, Владимир Гриньков, Дмитрий Дагаев, Юрий Ерин, Анастасия Еськова, Дмитрий Жарков, Андрей Журавлёв, Дмитрий Замолодчиков, Игорь Иванов, Вячеслав Калинин, Павел Квартальнов, Мария Кирсанова, Дмитрий Кирюхин, Александр Козловский, Юлия Кондратенко, Артем Коржиманов, Ольга Кочина, Аркадий Курамшин, Виталий Кушниров, Иван Лаврёнов, Алексей Левин, Андрей Логинов, Сергей Лысенков, Лейла Мамирова, Александр Марков, Мария Медникова, Вадим Мокиевский, Григорий Молев, Тарас Молотилин, Антон Морковин, Марат Мусин, Максим Нагорных, Елена Наймарк, Алексей Опаев, Петр Петров, Александр Пиперски, Константин Попадьин, Сергей Попов, Роман Ракитов, Татьяна Романовская, Александр Самардак, Александр Сергеев, Андрей Сидоренко, Виктория Скобеева, Даниил Смирнов, Павел Смирнов, Дарья Спасская, Любовь Стрельникова, Алексей Тимошенко, Александр Токарев, Александр Храмов, Мария Шнырёва, Сергей Ястребов, Светлана Ястребова

Новости науки по месяцам: 2016 VII, VI, V, IV, III, II, I  2015 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2014 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2013 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2012 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2011 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2010 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2009 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2008 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2007 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2006 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I  2005 XII, XI, X, IX, VIII, VII, VI, V, IV, III, II, I 

Новости науки почтой (рассылка на Subscribe.ru):

 


Где еще почитать научные новости: «Биомолекула», «Вокруг света», Газета.ру. Наука, «Наука и жизнь», Наука и технологии РФ, «Научная Россия», «Популярная механика», РИА Наука, «Чердак», N+1, Naked Science

 


при поддержке фонда Дмитрия Зимина - Династия