Американские ученые обнаружили, что генерирующие разнообразие ретроэлементы (Diversity-generating Retroelements DGRs) встречаются в геноме многих неидентифицированных прокариот и связаны с их белковой гипервариабельностью.
Прокариоты — микроорганизмы, клетки которых не имеют оформленного ядра (в отличие от эукариот). Они представлены двумя надцарствами — археями (Archaea) и бактериями (Bacteria), отличающимися чрезвычайным белковым разнообразием: более 1x1020 аминокислотных вариантов. В сочетании с малыми размерами это сильно затрудняет изучение эволюции бактерий и архей и их классификацию. Некоторые новые, но не изученные роды из числа этих доменов ученые относят к линии потенциального расхождения типов (Candidate Phyla Radiation CPR), или некультивированным бактериям, и экстремофилам (Diapherotrites, Parvarchaeota, Aenigmarchaeota, Nanoarchaeota and Nanohaloarchaea DPANN). Известно, что DPANN и CPR имеют небольшой геном (около 0,5–1,5 тысяч пар нуклеотидов) и не способны к биосинтезу для поддержания автономной жизнедеятельности, что, вероятно, указывает на их паразитическую природу. Однако механизмы их генетической диверсификации и адаптации к стрессу остаются неясными.
Схема DGR и мутагенного ретрохоминга
В качестве одного из возможных драйверов эволюции CPR и DPANN рассматриваются ретроэлементы, генерирующие разнообразие, — молекулярные последовательности, которые включают в себя ген, кодирующий обратную транскриптазу, целевой ген с вариабельным участком и матричный повтор, похожий на вариабельный участок. Путем обратной транскрипции с РНК матричного повтора образуется комплементарная ДНК (кДНК), в которой все аденины заменены на произвольный нуклеотид. После этого кДНК замещает вариабельный участок в целевом гене DGR. Таким образом получаются новые варианты генов, которые обеспечивают прокариотам (геном эукариот не содержит DGRs) уникальные направленность, скорость и диапазон мутаций. Тем не менее до сих пор эти ретроэлементы встречались только у отдельных прокариот (в частности, у двух групп DPANN) и бактериофагов и считались исключением.
В новой работе специалисты из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе и других вузов продолжили изучение микроорганизмов, обитающих в подземных водах аквифера Колорадо. На первом этапе образцы просеивали через фильтры с полосой пропускания 1,2, 0,2 и 0,1 микрометра (некоторые DPANN и CPR в 500 раз меньше Escherichia coli), после чего проводили их генетический анализ. Полученные данные сравнивали с 30 метагеномными и шестью метатранскриптомными наборами. Это позволило авторам выделить 1136 последовательностей, кодирующих основные функции DGR, что втрое больше, чем общее число известных ретроэлементов этого типа. Рассмотренные обратные транскриптазы ученые разделили на 699 белковых кластеров, при этом большинство из них (315) оказались связаны с самыми малыми, а наименьшее количество — с самыми крупными микроорганизмами.
Филогенез DGRs. Контуром обведены ретроэлементы, обнаруженные в новой работе
Неидентифицированные ранее DGRs чаще встречались в геноме CPR (в более чем 37 процентах случаев — в группе Parcubacteria), чем архей, и в целом относительно равномерно распределялись между подгруппами. Примечательно, что геном 26 процентов архей и 19 процентов бактерий содержал сразу несколько различных ретроэлементов, генерирующих разнообразие, в том числе аналоги вспомогательного белка Avd, отвечающего за мутагенный ретрохоминг (выбор участка для предпочтительного встраивания). По мнению ученых, это подтверждает гипотезу об эволюционной роли DGRs и их направленной активности. Количество аннотированных ретроэлементов, участвующих в этом процессе, благодаря проведенной работе увеличилось на 120 процентных пунктов. Статья опубликована в журнале Nature Microbiology.
Источник: NAKED SCIENCE
