Вадим Дудченко
Администратор портала

Эволюционная ассимиляция чужеродной ДНК в новом хозяине

ИЗОБРАЖЕНИЕ:  Схема экспериментального рабочего процесса. Нативные гликолитические изомеразы E. coli pgi и tpiA были заменены кодирующей последовательностью чужеродных ортологов и подвергнуты лабораторной эволюции для улучшения экспоненциальной скорости роста фазы.

Вся жизнь подвержена эволюции в виде мутаций, которые изменяют последовательность ДНК потомства организма, после чего естественный отбор позволяет «наиболее приспособленным» мутантам выжить и передать свои гены будущим поколениям. Эти мутации могут генерировать новые способности у вида, но другой общей движущей силой эволюции является горизонтальный перенос генов (ГПГ) - получение ДНК от существа, отличного от родителя, и даже от другого вида. Например, значительная часть генома человека на самом деле представляет собой вирусную ДНК. Методы генной инженерии теперь позволяют людям намеренно индуцировать ГПГ у различных видов для создания «дизайнерских организмов», способных к таким вещам, как возобновляемое химическое производство, но часто бывает трудно заставить чужеродную ДНК работать в новом хозяине.

Биоинженеры из Калифорнийского университета в Сан-Диего использовали генную инженерию и лабораторную эволюцию, чтобы проверить функциональность ДНК, помещенной в новый вид, и изучить, как она может мутировать, чтобы стать функциональной, если дать ей достаточно времени для эволюции. Они опубликовали свои результаты 10 августа в журнале Nature Ecology and Evolution .

Используя модельную бактерию Escherichia coli в качестве хозяина, биоинженеры из исследовательской группы системной биологии профессора Бернхарда Палссона использовали CRISPR для создания штаммов с заменой генов с донорской ДНК разных видов на всем древе жизни - от близких родственников бактерий до микробов, обитающих в кипящие горячие источники, до людей. Были заменены гены pgi или tpiA, два фермента, участвующие в метаболизме сахара, которые наносят вред E. coli. При удалении они растут примерно в 5 раз медленнее. Затем они использовали «эволюционную машину», роботизированные системы, чтобы изучить, как сконструированные бактерии адаптировались к замене таких важных генов чужеродными версиями. Автоматизированные системы позволили провести крупномасштабное исследование, в результате которого были получены сотни мутантных штаммов, эволюционировавших в течение более чем 50 000 кумулятивных поколений, на что потребовались бы десятилетия, а не месяцы, если бы это было выполнено вручную. Более того, темпы роста можно отслеживать в режиме реального времени по мере развития популяций, что позволяет изолировать мутантные штаммы сразу после того, как они захватили популяцию из предкового штамма. Такое высокое временное разрешение регулярно позволяло выделять штаммы, которые различались по всему геному только одной представляющей интерес мутацией.

Хотя поначалу E. coli не могла использовать большинство чужеродных генов, которые ей были даны, они быстро и часто находили эволюционный путь решения этой проблемы. Примечательно, что чужеродные гены не были оптимизированы по кодонам перед вставкой в E. coli. - это регулярно выполняется во время синтетического HGT, основываясь на том факте, что ДНК кодирует последовательность аминокислот, из которой состоит белок, с помощью трехбуквенных кодонов, содержащих избыточность (например, лизин кодируется AAA или AAG). Различные виды имеют разные общегеномные тенденции в использовании кодонов, которые минимизирует оптимизация кодонов для гена, встроенного в чужеродный вид, но в этом не было необходимости для обеспечения функциональности - даже для ДНК человека, которая эволюционно расходилась с E. coli в течение миллиардов лет.

Для каждого штамма, который успешно развил использование чужеродной ДНК, критическим фактором была одна или несколько мутаций, повышающих уровень экспрессии генов. Большинство этих мутаций возникло даже не внутри чужеродного гена, а скорее в областях ДНК E. coli , контролирующих регуляцию гена, причем их природа чувствительно зависит от специфической последовательности ДНК гена и местоположения в хромосоме. Некоторые из этих мутаций происходили с шокирующей регулярностью, в том числе одна, независимо наблюдаемая более 20 раз, демонстрируя, что эволюционные исходы могут быть (вероятностно) предсказаны для одной пары оснований ДНК.

Из немногих мутаций, происходящих внутри чужеродной ДНК, большинство происходило в начале гена и «молчало» по своей природе, изменяя кодон, но не полученную аминокислоту. Часто предполагается, что они оказывают незначительное влияние на приспособленность клеток (по крайней мере, в одном кодоне, а не во всем гене, как при оптимизации кодонов), но мы обнаружили, что они оказывают значительное влияние. Термодинамическое моделирование показало, что эти мутации служат для предотвращения связывания транскрипта мРНК гена в узловатые структуры, что ограничивает количество белка, которое рибосомы могут продуцировать из транскрипта. Наконец, сотни наших эволюционировавших штаммов содержали> 90 различных мутаций в комплексе РНК-полимеразы, который продуцирует транскрипты мРНК из последовательности ДНК. Такие мутации обычны в лабораторных эволюционных экспериментах, но наш большой набор данных выявил кластеризацию мутаций в отдельные области в зависимости от того, как эволюционировал штамм, содержащий их. Это указывает на эволюционно консервативные регуляторные стратегии для быстрой адаптации к метаболическим пертурбациям, подобным тем, которые мы вызвали.

«Этот результат показывает важность системной биологии», - сказал профессор биоинженерии Калифорнийского университета в Сан-Диего Бернхард Палссон, главный исследователь исследования. «А именно, биологическая функция в данном случае - это не столько части клетки, сколько то, как части объединяются, чтобы функционировать как система».

В целом, это исследование устанавливает влияние различных характеристик ДНК и белков на межвидовую генетическую взаимозаменяемость и эволюционные результаты, что имеет значение как для естественного ГПГ, так и для дизайна штаммов с помощью генной инженерии.

  • Добавить в Словарь
     
    • Новый список слов для Русский -> Русский...
       
    • Создать новый список слов...
  • Копировать
 



Актуальные новости

  • Сутки
  • Неделя
  • Месяц