Археи расширяют свой метаболический потенциал за счет гигантских внехромосомных генетических элементов

Скопления архей рода Methanoperedens — счастливых обладателей новооткрытых внехромосомных генетических элементов — выглядят на этих изображениях, полученных при помощи флуоресцентной микрофотографии, как зеленые пятна. Длина масштабных отрезков — 20 мкм. Рисунок из статьи S. Guerrero-Cruz et al., 2018. Response of the Anaerobic Methanotroph «Candidatus Methanoperedens nitroreducens» to Oxygen Stress

Известны разные способы, которыми микробы могут приобретать дополнительные «функции», вроде освоения нового метаболического пути или повышения эффективности уже имеющегося. Это может происходить, например, в ходе «обычной» эволюции, когда мутация в геноме оказывается полезной и закрепляется, или при горизонтальном переносе генов — прямом заимствовании генетического материала у других организмов и включении его в свой геном. Недавно выяснилось, что окисляющие метан археи, похоже, используют неизвестный ранее способ обогатить свой генетический арсенал. Американские исследователи обнаружили у архей из рода Methanoperedens особые внехромосомные генетические элементы, представляющие собой гигантские молекулы ДНК, сравнимые по размеру с собственным геномом археи. Среди генов, которые нашлись в этих элементах, есть гены, кодирующие ферменты окислительно-восстановительных реакций и другие белки, связанные с сохранением энергии.

Команда ученых из Калифорнийского университета в Беркли, среди которых была нобелевский лауреат Дженнифер Даудна, исследовала с помощью метагеномных методов состав обитателей заболоченных почв в Калифорнии и Колорадо. Ученые отбирали образцы почв, выделяли из них ДНК, секвенировали и в полученных последовательностях искали геномы как уже известных, так и еще не описанных микроорганизмов. Современные метагеномные технологии позволяют найти в образцах из окружающей среды, не только геномы организмов, но и автономные генетические элементы (подробно о том, что это такое, рассказано в статье Мобильные генетические элементы прокариот: стратификация «общества» бродяжек и домоседов).

Внимание исследователей привлекли загадочные генетические последовательности, которые были настолько ни на что не похожи, что ученые вручную «собрали» четыре из них, хотя обычно сборку геномов из отдельных секвенированных последовательностей доверяют программам. Все эти геномы оказались линейными, размером от 661 708 до 918 293 килобаз (тысячи пар оснований), несущими на концах инвертированные повторы длиной более одной килобазы. Примечательно, что во всех четырех геномах неясного происхождения в нескольких десятках участков присутствовали прямые тандемные повторы совершенно нового состава. Более того, тандемные повторы встречались не только в межгенных участках, но и в генах, где они считываются в аминокислотные повторы. Каждый геном состоял из двух реплихор (так называют один из двух участков кольцевого бактериального генома от точки начала репликации до ее конца, см. Replichore) неравной длины, причем в каждой реплихоре все гены располагались только на одной из двух цепей ДНК.

Что же касается самих генов, то, хотя большинство из них оказались уникальными, 21% генов имеет общее происхождение с генами архей, в особенности — с генами представителей рода Methanoperedens. Археи этого рода умеют окислять метан и попутно восстанавливать железо, нитрат или марганец. Случайно ли, что большая часть генов архей, выявленная в составе неопознанных генетических элементов, принадлежит именно к роду Methanoperedens? Подчеркнем, что в составе новых элементов не было выявлено целых кусков геномов Methanoperedens или других архей, поэтому фрагментами геномов архей, которые по каким-то причинам не попали в сборки геномов микроорганизмов, таинственные элементы точно не являются.

Странное преобладание генов представителей Methanoperedens среди архейных генов в составе новых генетических элементов не могло не привлечь внимание исследователей. Вслед за первыми четырьмя геномами неопознанных генетических элементов ученые собрали еще около сорока их геномов из других образцов влажных почв. Подробный анализ показал, что новые элементы не просто тесно связаны с археями Methanoperedens, а «живут» внутри архей Methanoperedens (этот вывод был сделан на основании сопоставления последовательностей разных элементов и проб, из которых они были выделены). Тесное «сотрудничество» нового типа генетических элементов с археями удивительно тем, что размеры этих элементов (около миллиона пар оснований) довольно велики, и в некоторых клетках архей большая часть ДНК должна приходиться именно на долю генетических элементов нового типа, а вовсе не на собственный геном.

На первых этапах исследования природа этих генетических элементов оставалась неясной. Как уже было сказано, ученые довольно быстро убедились, что они не являются фрагментами геномов архей, но они вполне могли оказаться и минихромосомами архей (дополнительными мелкими хромосомами, присутствующими в клетках наряду с основной хромосомой), и вирусами, и плазмидами. Как это проверить?

«Вирусную» гипотезу можно отмести сразу: новые элементы слишком велики как для вирусов архей, так и для бактериофагов. Крупнее они и всех известных кольцевых плазмид, которые находили у архей-галофилов, метаногенов и термофилов. В составе новых неопознанных элементов нет генов, кодирующих вирусные белки, компоненты конъюгативных систем передачи плазмид или рРНК: убедиться в этом позволил поиск по базам последовательностей известных генов. В общем, совсем не похоже на вирус или плазмиду.

По размеру новые элементы соответствуют минихромосомам, но и тут есть существенные различия: в отличие от минихромосом, количество их копий на клетку вариабельно, а их GC-состав (то есть доля пар гуанин-цитозин (GC) среди всех пар азотистых оснований в геноме, этот показатель имеет важное значение для классификации микроорганизмов и их различения друг от друга) значительно ниже. С учетом всех этих соображений авторы заключили, что эти элементы представляют собой новый тип генетической информации. Они назвали их боргами (Borgs) в честь расы существ из фантастической вселенной «Звездного пути», способной ассимилировать знания и технологии других рас, — этим ученые подчеркнули способность боргов «впитывать» в себя гены других организмов, в том числе архей Methanoperedens.

Используя различные метагеномные методы, ученым удалось найти в исследованных пробах 19 различных боргов. Что интересно, в некоторых образцах, изобилующих археями рода Methanoperedens, боргов найдено не выявлено — вероятно, эти генетические элементы имеются не у всех архей рода и, в принципе, без дополнительных генетических «приложений» эти археи могут неплохо существовать. Похоже, в одной клетке может находиться несколько боргов: авторы нашли достоверный пример рекомбинации между двумя боргами, а это указывает на то, что как минимум в момент обмена генетическим материалом они оба находились в одной клетке.

«Таскать» с собой огромный блок внегеномной ДНК, только если он не содержит какие-то чрезвычайно полезные гены, должно быть невыгодно. Какая польза клеткам архей от боргов?

В составе некоторых боргов были найдены системы защиты от мобильных генетических элементов, в том числе CRISPR. Примечательно, что в локусе CRISPR одного из боргов был найден спейсер, соответствующий гену в геноме Methanoperedens — еще одно свидетельство тесной связи архей этого рода и боргов. Вероятно, во время «совместной жизни» в локус CRISPR мобильного элемента интегрировался кусочек генома клетки-хозяина. Среди генов, найденных в боргах, немало генов рибосомных белков, которые, по данным филогенетического анализа, по крайней мере в некоторых случаях могли быть «украдены» у архей Methanoperedens. Наиболее многочисленны в составе боргов гены, кодирующие гликозилтрансферазы, в том числе — работающие с ДНК и РНК и обеспечивающие внутриклеточный транспорт и метаболизм. Также среди генов боргов немало тех, что кодируют мембраноассоциированные белки с неизвестной функцией, которые, возможно, могут влиять на состав мембран клеток-хозяев. По крайней мере в семи найденных боргах был оперон для фиксации азота, который, похоже, тоже был позаимствован у Methanoperedens. Возможно, благодаря этому оперону борги могут влиять на метаболизм азота у клетки-хозяина. Как минимум десять боргов содержали гены, помогающие археям выжить в трудные времена, а именно, гены, ответственные за синтез вещества, в котором архея может запасать углевод, — полигидроксиалканоат. Впрочем, синтезировать это вещество археи Methanoperedens умеют и сами. А вот генов устойчивости к теллуру, которые были найдены в составе нескольких боргов, у архей Methanoperedens нет. Примечательно, что все описанные борги кодируют гомологи FtsZ-тубулина, которые могут быть задействованы в делении клеток. Наконец, среди генов боргов нередки гены, кодирующие различные метаболические ферменты: два фермента цикла Кребса (цитратсинтазу и аконитазу) и белки, задействованные в процессе клеточного дыхания и катализирующие окислительно-восстановительные реакции. Шесть боргов кодируют гены биосинтеза кофермента, задействованного в метаногенезе, и ферредоксины, которые могут выступать в роли переносчиков электронов.

Итак, борги довольно содержательны в плане генов, хотя многие из содержащихся в них генов явно позаимствованы у их хозяев — архей рода Methanoperedens — путем горизонтального переноса генов. Какую же пользу они могут представлять для клетки-хозяина, если просто дублируют часть ее генов? Чтобы ответить на этот вопрос, авторы работы сфокусировались на конкретном борге, который они назвали «сиреневым» («lilac», в обсуждаемой работе различные борги обозначались разными цветами). Геном «сиреневого» борга был получен полностью и детально исследован. Он интересен тем, что кодирует комплекс MRC, играющий центральную роль в метаногенезе. Также он кодирует мультигемные цитохромы, с помощью которых археи Methanoperedens окисляют метан. Вполне вероятно, что эти мультигемные цитохромы в составе борга представляют своего рода «дополнительные мощности» для архей Methanoperedens, позволяя увеличить способность клетки к окислению метана, однако эта гипотеза нуждается в экспериментальной проверке.

Схема метаболических «приложений» и «мощностей», которые «сиреневый» борг предоставляет своему хозяину. Белки, кодируемые только в борге, обозначены коричневыми кружочками. Вникать во все детали ненужно; обратите внимание, на какое большое число процессов оказывает влияние этот борг. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

Помимо генов, связанных с обменом метана, среди генов «сиреневого» борга есть гены, кодирующие белки-протекторы от определенных видов стресса, белки, выводящие из клетки токсичные соединения, и белки, защищающие от активных форм кислорода. В общем, борги делают массу полезных вещей! Отметим, что многие из генов в составе борга кодируют белки, локализованные на поверхности клетки. Авторы работы заключают, что, возможно, борги оказывают влияние на архитектуру клеточной стенки, например, приспосабливая ее к изменяющимся условиям окружающей среды.

Авторы исследования отмечают, что, поскольку борги влияют на метаболизм метаноокисляющих архей, их активность может иметь значение и на биогеохимическом уровне и даже оказывать влияние на климат. История изучения боргов пока только началась, и можно надеяться, что самые важные открытия, касающиеся этих генетических элементов, еще впереди.

Источник: Basem Al-Shayeb, Marie C. Schoelmerich, Jacob West-Roberts, Luis E. Valentin-Alvarado, Rohan Sachdeva, Susan Mullen, Alexander Crits-Christoph, Michael J. Wilkins, Kenneth H. Williams, Jennifer A. Doudna & Jillian F. Banfield. Borgs are giant genetic elements with potential to expand metabolic capacity // Nature. 2022. DOI: 10.1038/s41586-022-05256-1.

Елизавета Минина