» » Бактерия превращается из симбионта в паразита, обратимо меняя свой геном

Бактерия превращается из симбионта в паразита, обратимо меняя свой геном


Бактерия превращается из симбионта в паразита, обратимо меняя свой геном

Вверху: гусеницы бабочки Galleria mellonella, убитые светящейся бактерией Photorhabdus luminescens. Внизу: те же бактерии, мирно живущие в кишечнике круглого червя Heterorhabditis bacteriophora (на этот раз они светятся не собственным светом, а благодаря флюоресцентному белку, ген которого в них ввели генетики). Изображение © Todd Ciche с сайта microbewiki.kenyon.edu


Светящаяся бактерия Photorhabdus живет попеременно то в круглых червях, где она выступает в роли полезного сожителя, то в насекомых, для которых она — смертельный патоген. Переход из одного состояния в другое сопровождается радикальными изменениями свойств бактериальных клеток. Микробы превращаются из патогенной P-формы в мутуалистическую M-форму за счет небольшого обратимого генетического изменения — поворота (инверсии) регуляторного участка генома — промотора madswitch. Если промотор находится в положении «включено», бактерии производят вещества, необходимые для мирной жизни в теле червя. Разворот промотора в положение «выключено» лишает бактерий способности проникать в клетки червя, зато позволяет им производить токсины, смертельные для насекомых, а также антибиотики и другие вещества, необходимые для совместной жизни бактерий и червей в теле убитого насекомого. Инверсия промотора осуществляется двумя специальными ферментами — ДНК-инвертазами, причем происходит это более или менее случайно. Преобладание P-форм в теле насекомого и M-форм в клетках червя, по-видимому, объясняется отбором, то есть селективным преимуществом, которое имеют эти формы в разных условиях.

Светящиеся бактерии Photorhabdus luminescens образуют удивительный «боевой союз» с нематодами Heterorhabditis bacteriophora, с которыми они вместе охотятся на насекомых.

Молодая нематода с множеством бактерий в кишечнике внедряется в насекомое и отрыгивает всех бактерий в полость тела жертвы. Червь использует своих симбионтов в качестве биологического оружия. Бактерии быстро убивают насекомое при помощи токсинов Tc и Mcf, обладающих мощным инсектицидным действием. Затем микробы и червь начинают совместно переваривать тело жертвы и размножаться. Бактерии при этом заботятся не только о себе, но и о черве: они производят особые белки с высоким содержанием незаменимых аминокислот (crystalline inclusion proteins, Cips), необходимые для питания червя. Кроме того, они вырабатывают антибиотики, не позволяющие другим микробам расплодиться в мертвом насекомом. Наконец, они светятся — предположительно, для того, чтобы приманить других насекомых и тем самым облегчить охоту молодым нематодам.

Червь поедает ткани жертвы, повторно «заражаясь» светящимися бактериями. Симбионты прикрепляются к стенке кишечника и проникают в клетки ректальных желез (rectal gland cells), где они стимулируют образование вакуолей, в которых бактерии продолжают размножаться. Клетки затем лопаются, выпуская бактерий в полость тела червя. Здесь их глотают юные червячки, развивающиеся в теле матери. В конце концов старый червь погибает, а молодь выходит из него и из трупа насекомого и отправляется на поиски новой добычи.

Таким образом, бактерии живут попеременно то в черве, выступая в роли симбионта и союзника, то в насекомом, с которым они жестоко расправляются. Как им удается совмещать столь разные «профессии»? Поискам ответа на этот вопрос посвящена статья американских микробиологов и генетиков, опубликованная в недавнем выпуске журнала Science.

Авторы обнаружили, что бактерии P. luminescens в кишечнике нематод делятся на две разновидности: крупные (1,2 x 4,4 мкм), образующие на искусственной среде большие непрозрачные колонии, и мелкие (0,8 x 1,2 мкм), образующие маленькие прозрачные колонии. Первых назвали P-формами, вторых — M-формами (от слов pathogenic и mutualistic). Оказалось, что только M-формы способны прикрепиться к стенке кишечника червя, проникнуть в его клетки, а затем в кишечник молодых особей. M-формы — специалисты по мирному сожительству с червем. Более крупные P-формы отвечают за расправу над насекомым. Именно их заглатывает взрослая нематода, питаясь тканями убитого насекомого. Но потом в кишечнике червя часть P-форм превращается в M-формы. Именно они передаются следующему поколению нематод.


Бактерия превращается из симбионта в паразита, обратимо меняя свой геном

Бактерия превращается из симбионта в паразита, обратимо меняя свой геном

P- и M-формы бактерии Photorhabdus luminescens. Слева — крупные колонии P-форм и мелкие колонии M-форм. Справа — крупные P-клетки и мелкие M-клетки. Последние светятся зеленым, потому что им вставили в оперон mad ген зеленого флуоресцирующего белка. Такой же ген вставлен и в геном P-форм, но они не флуоресцируют, потому что промотор madswitch у них находится в положении «выключено» и оперон mad не экспрессируется. Изображение из обсуждаемой статьи в Science


Как происходит превращение? Ранее было показано, что для установления мутуалистических отношений с червем необходима работа группы бактериальных генов mad (maternal adhesion), которые производят белки, позволяющие микробу прикрепиться к стенкам кишечника взрослой нематоды. Активность генов mad управляется промотором, который часто претерпевает инверсии, поворачиваясь то в положение «включено» (и тогда гены mad работают), то в положение «выключено» (и тогда эти гены молчат). Этот регуляторный участок ДНК, подверженный частым инверсиям, получил название madswitch (что переводится, очевидно, как «переключатель генов mad», а не как «сумасшедший переключатель», хотя такое название ему очень подходит).

В состав madswitch входит 257 пар нуклеотидов. «Переключатель» ограничен с обеих сторон обращенными повторами — палиндромными последовательностями длиной по 36 пар нуклеотидов каждая. Инверсии таких участков могут осуществляться специальными ферментами — ДНК-инвертазами, или сайт-специфичными рекомбиназами (см.: Искусственный белок поможет победить ВИЧ, «Элементы», 05.07.2007). Ген одной такой инвертазы, madR, расположен вплотную к madswitch, по другую сторону от блока управляемых им генов mad.


Бактерия превращается из симбионта в паразита, обратимо меняя свой геном

Бактерия превращается из симбионта в паразита, обратимо меняя свой геном

Взаимное расположение генов mad и промотора madswitch на хромосоме бактерии Photorhabdus luminescens. Каждый ген изображен в виде стрелки, показывающей направление транскрипции («считывания»). Рисунок из обсуждаемой статьи в Science


Авторы показали, что превращение P-форм в M-формы и обратно обеспечивается переключениями madswitch. У M-форм madswitch находится в положении «включено». Поэтому у них экспрессируются восемь генов mad, необходимых для прикрепления бактерии к стенке кишечника (madA, madB, madC, madD, madE, madF, madG, madH). Однако не эти гены отвечают за превращение P-формы в M-форму. Если их удалить, при включенном madswitch превращение всё равно происходит. Оказалось, что ключевую роль в превращении играет ген madJ, который тоже регулируется переключателем madswitch, но не участвует в прикреплении бактерий к клеткам кишечника. По-видимому, это ген-регулятор, управляющий активностью каких-то других генов. Если его удалить, P-формы не превращаются в M-формы. Превращение также не происходит, если удалить один из обращенных повторов madswitch. Именно таким способом авторы изготовили штаммы «вечных» P- и M-форм, не способных превращаться друг в друга. Эти штаммы помогли в деталях исследовать многочисленные различия между формами.

Выяснилось, что только P-формы в заметных количествах производят токсины-инсектициды, антибиотики для борьбы с бактериями-конкурентами, питательные белки Cips и другие вещества, необходимые нематодам для нормального роста и размножения в мертвом насекомом. Кроме того, P-формы ярче светятся и активнее плавают. M-формы — тусклые (почти не производят люциферазу) и неподвижные. Размножаются они намного медленнее P-форм как в искусственной среде, так и в кишечнике нематод. Зато M-формы отличаются повышенной устойчивостью к антибиотикам ципрофлоксацину и стрептомицину. Судя по всему, у M-форм в целом замедлен обмен веществ. Это своеобразная «спящая фаза» в жизненном цикле P. luminescens. Возможно, такая заторможенность выгодна им, пока они живут в нематоде и еще не пришло время атаковать насекомое.

Авторы также установили, что ДНК-инвертаза madR, чей ген находится рядом с промотором madswitch, отвечает за его переключение в положение «выключено», что ведет к превращению M-формы в P-форму. Обратное переключение осуществляется ДНК-инвертазой madO, ген которой находится в другой части хромосомы.

В принципе, бактерии могли бы регулировать частоту прямых и обратных превращений, меняя уровень экпрессии этих ДНК-инвертаз. Неясно, делают ли они это в действительности. На искусственной среде превращения происходят случайным образом: P-формы превращаются в M-формы с частотой 1,21 · 10–3 на клетку за поколение, частота обратных превращений ниже: 4,30 · 10–5. По-видимому, в природных условиях соотношение двух форм регулируется не столько частотой превращений, сколько естественным отбором. В полости кишечника червя и в теле насекомого P-формы резко преобладают, потому что быстрее размножаются (то есть имеют селективное преимущество над M-формами, вытесняют их). Но прикрепиться к стенке кишечника, проникнуть в клетки ректальных желез и в молодых червей могут только M-формы, которые поэтому преобладают на этих этапах жизненного цикла. Однако в течение недели после проникновения бактерий в молодую нематоду M-формы в ее кишечнике практически полностью вытесняются P-формами. В результате червь оказывается «вооружен» и готов к нападению на насекомое.

Таким образом, бактерии отчасти случайно, отчасти «целенаправленно» меняют свой геном, чтобы переходить из одной среды в другую и превращаться из мирных сожителей червей в коварных убийц насекомых и обратно. Такой необычный способ адаптации к меняющимся условиям, основанный на обратимых изменениях собственного генома, напоминает модификационную изменчивость, но лишь поверхностно. При модификационной изменчивости меняется только активность генов, а геном остается неизменным. Поэтому такие изменения («приобретенные признаки») не наследуются. В случае P. luminescens меняется геном, и эти изменения, конечно же, передаются по наследству. Формально их даже можно назвать «эволюционными», ведь налицо наследственные изменения (мутации), поддерживаемые отбором и помогающие организмам адаптироваться к среде. В таком случае следует признать, что у этих бактерий эволюционные изменения стали обязательной частью жизненного цикла.

Источник: Vishal S. Somvanshi, Rudolph E. Sloup, Jason M. Crawford, Alexander R. Martin, Anthony J. Heidt, Kwi-suk Kim, Jon Clardy, Todd A. Ciche. A Single Promoter Inversion Switches Photorhabdus Between Pathogenic and Mutualistic States // Science. 2012. V. 338. P. 88–93.

См. также:
Photorhabdus luminescens: The Angel's Glow. Согласно преданию, у некоторых раненых солдат во время гражданской войны в США раны светились в темноте, причем такие светящиеся раны заживали лучше, чем обычные. Возможно, это явление, прозванное «ангельским сиянием» (Angel’s Glow), было вызвано бактериями Photorhabdus: ведь они умеют светиться и выделяют антибиотики.

Александр Марков


05 октябрь 2019 /
  • Не нравится
  • 0
  • Нравится

Похожие новости

Мобильная ДНК заставляет бактерии жертвовать собой

Швейцарские ученые на примере бактерий из рода Pseudomonas уточнили механизм передачи крупных мобильных элементов («геномных островков») от клетки к клетке. Фермент интеграза, вырезающий этот кусок

Соотношение процессов, ведущих к потере азота океаном, предсказуемо

Океан теряет дефицитный азот, который из нитритов и нитратов превращается в молекулярную форму и уходит в атмосферу. Происходит это за счет двух процессов. Один из них — денитрификация — давно

Сложная картина мимикрии определяется одним геном

Бабочки парусники известны многообразием подражательных окрасок. Самцы парусников имеют персональную расцветку, так же окрашена и одна из форм самок; зато узоры крылышек трех других форм самок

Простая система межклеточной коммуникации обеспечивает разнообразное коллективное поведение

Эксперименты на генетически модифицированных дрожжах показали, что разнообразные формы коллективного поведения клеток могут порождаться простой системой межклеточной коммуникации, основанной на том,
Комментарии

НАПИСАТЬ КОММЕНТАРИЙ

Ваше Имя:
Ваш E-Mail:
Код:
Кликните на изображение чтобы обновить код, если он неразборчив
Введите код:
Популярные новости
Камеры заднего видаКалькулятор тарифов Яндекс на таксиОсновные преимущества керамической плиткиАвтосвет, нюансы ремонта и обслуживанияЭкстрасенсы помогают следствию в раскрытии преступленийВьетнамские дети попрыгали через мертвую змею вместо скакалкиСамостоятельные путешествия, что важно знатьНа реке Генхе в Китае появился редкий вращающийся ледяной диск