Дрожжи отказались от противовирусной защиты, чтобы приютить вируса-убийцу
РНК-интерференция — важный защитный механизм, помогающий эукариотическим клеткам бороться с вирусами и подавлять активность эгоистических фрагментов ДНК — транспозонов. Однако дрожжи и некоторые другие грибы утратили систему РНК-интерференции. Как выяснилось, это позволяет им содержать в своих клетках симбиотического вируса, который помогает грибам уничтожать конкурентов. Отказ от РНК-интерференции и приобретение вирусов-убийц произошло независимо как минимум в четырех эволюционных линиях грибов.
РНК-интерференция — широко распространенный у эукариот молекулярный механизм, позволяющий своевременно уничтожать ненужные клетке молекулы РНК (например, вирусные или принадлежащие эгоистическим мобильным элементам — транспозонам). Ключевую роль в работе системы РНК-интерференции играют белки Dicer и Argonaute. Система срабатывает, когда в клетке появляются двухцепочечные молекулы РНК — произведенные самой клеткой или проникшие извне. Белок Dicer атакует двухцепочечную РНК и вырезает из нее короткие фрагменты, которые затем присоединяются к белку Argonaute. Образовавшийся комплекс из белка и короткой РНК находит и уничтожает любые молекулы РНК, содержащие такую же последовательность нуклеотидов, как в коротком фрагменте.
РНК-интерференция широко используется в экспериментах как удобный способ «выключения» генов. Достаточно ввести в клетку искусственно синтезированные двухцепочечные молекулы РНК с последовательностью нуклеотидов, соответствующей фрагменту какого-нибудь гена, чтобы все матричные РНК, считанные клеткой с этого гена, были уничтожены. В результате ген оказывается фактически выключенным: кодируемый им белок не синтезируется.
Эта замечательная методика, однако, неприменима к одному из классических лабораторных объектов — пекарским дрожжам Saccharomyces cerevisae. Этот вид дрожжей и несколько его ближайших родственников не имеют системы РНК-интерференции. Правда, недавно американские биологи обнаружили, что этот недостаток можно исправить. Для этого достаточно пересадить дрожжам гены белков Dicer и Argonaute от чуть более дальнего родственника — Saccharomyces castellii, у которого система РНК-интерференции, как выяснилось, находится в рабочем состоянии. Действующую систему РНК-интерференции обнаружили и у других родственных видов (см.: Drinnenberg et al., 2009. RNAi in Budding Yeast). Это значит, что у предков пекарских дрожжей эта система, по-видимому, тоже была исправна и «сломалась» сравнительно недавно по эволюционным меркам.
Что же заставило пекарские дрожжи отказаться от эффективной противовирусной защиты? Или, говоря более корректным языком, почему отбор не отсеял мутации, нарушившие работу системы РНК-интерференции у предков Saccharomyces cerevisae?
Чтобы ответить на этот вопрос, авторы, ранее открывшие РНК-интерференцию у S. castellii, провели ряд экспериментов с линиями S. cerevisae, у которых способность к РНК-интерференции была восстановлена путем пересадки двух генов от S. castellii. Генно-модифицированные дрожжи выращивали на 50 разных средах. Везде они размножались примерно с такой же скоростью, что и «дикие» дрожжи, лишенные РНК-интерференции. Заметных различий в уровне активности генов и транспозонов тоже не удалось выявить.
Зато обнаружилось, что S. cerevisae с восстановленной способностью к РНК-интерференции быстро теряют своего симбиотического вируса, который живет в их цитоплазме в виде комплекса из нескольких двухцепочечных молекул РНК. Этот вирус, известный под названием killer (убийца), содержит в своем геноме ген токсичного белка и одновременно защищает клетку, в которой находится, от действия токсина. Яд выделяется дрожжами в окружающую среду и убивает те дрожжевые клетки, у которых нет симбиотического вируса-убийцы. Это классическая система «яд — противоядие», которую используют многие симбионты и паразиты, чтобы повысить конкурентоспособность хозяина (как в данном случае) или чтобы не дать ему от себя избавиться (см.: Многомужество как способ борьбы с генетическим эгоизмом, «Элементы», 10.06.2011).
Выяснилось, что система РНК-интерференции разрушает двухцепочечную РНК вируса-убийцы. В результате дрожжи теряют способность развиваться на средах, уже заселенных конкурентами, не имеющими вируса-убийцы (см. рисунок), и становятся беззащитными перед конкурентами, у которых такой вирус есть.
Таким образом, отсутствие РНК-интерференции дает дрожжам важное преимущество, позволяя им содержать в своих клетках полезного вируса.
Применимы ли полученные выводы к другим грибам? Чтобы ответить на этот вопрос, авторы провели целенаправленный поиск генов, необходимых для РНК-интерференции, в геномах грибов, у которых есть симбиотические вирусы-убийцы, а также поиск таких вирусов у грибов, о которых уже было известно, что РНК-интерференция у них есть.
Выяснилось, что между наличием вирусов-убийц и системы РНК-интерференции существует четкая отрицательная корреляция. У всех видов, имеющих вирусов-убийц, нет РНК-интерференции. При этом близкородственные виды могут обладать РНК-интерференцией, но в этом случае у них наверняка нет вирусов-убийц.
Авторы пришли к выводу, что утрата РНК-интерференции произошла независимо не менее чем в девяти эволюционных линиях грибов. В четырех случаях из девяти это сопровождалось приобретением вирусов-убийц. Данная закономерность справедлива даже для головни (Ustilago), которая относится к базидиомицетам — группе, весьма далекой от дрожжей, которые относятся к аскомицетам.
Сравнительный анализ нуклеотидных последовательностей генов белков Dicer и Argonaute у исследованных грибов показал, что наблюдаемое распределение этих генов по эволюционному дереву лучше всего объясняется их независимой утратой в девяти линиях. Случаев повторного приобретения этих генов путем горизонтального генетического обмена выявлено не было.
Почему РНК-интерференция была потеряна в пяти линиях, в которых вирусов-убийц обнаружить не удалось, — пока неизвестно. Может быть, такие вирусы были у их предков, но потом потерялись (как это произошло и в некоторых природных популяциях дрожжей).
Все девять случаев утраты РНК-интерференции произошли сравнительно недавно по эволюционным меркам: они приурочены к самым верхним ветвям эволюционного дерева. Иными словами, если какие-то грибы и утрачивали РНК-интерференцию в более далеком прошлом, потомки этих грибов не дожили до наших дней. Возможно, это означает, что потеря РНК-интерференции в долгосрочной эволюционной перспективе оказывается проигрышной стратегией и ведет к вымиранию.
Источник: Ines A. Drinnenberg, Gerald R. Fink, David P. Bartel. Compatibility with Killer Explains the Rise of RNAi-Deficient Fungi // Science. V. 333. P. 1592.
Последние новости
Эксперимент, показавший, что система РНК-интерференции уничтожает симбиотического вируса-убийцу, который нужен дрожжам для борьбы с конкурентами. Дрожжевые клетки высевались на питательную среду, уже покрытую слоем клеток-конкурентов (не имеющих вируса-убийцы). Дикие дрожжи, имеющие вируса и лишенные системы РНК-интерференции (слева) справляются с конкурентами успешнее, чем такие же дрожжи, в геном которых добавили два гена, необходимые для РНК-интерференции (справа). Изображение из обсуждаемой статьи в Science