7 фактов о наборе тех генов, без которых бактериальная клетка не может существовать

16.11.2012

5 964

Минимальный геном – это идея, которая была придумана нашими соотечественниками Евгением Куниным и Аркадием Мушегяном (они в то время оба работали в Национальном центре биотехнологической информации в Бетесде – пригороде Вашингтона). Когда были определены последовательности первых бактериальных геномов и стало ясно, насколько эти геномы разнообразны, возникла мысль: а давайте попробуем понять, какой набор генов является абсолютно необходимым; если ген встречается во всех бактериях, то, наверное, без него существовать невозможно.

1

Есть несколько подходов к определению того, что такое минимальный геном, и все они поучительны. Первый – это эволюционный. Он основан на том естественном соображении, что если какой-то ген имеется у всех организмов, то, наверное, без этого гена обойтись нельзя. В этом утверждении есть на самом деле некоторое лукавство: встаёт вопрос, откуда известно, что в разных организмах действительно один и тот же ген, и что вообще такое «один и тот же ген», когда он находится в разных геномах. Определение такое: мы считаем, что в исследуемых геномах ген один и тот же, если у них был общий предок и история этого гена в точности совпадает с историей вида, то есть не было дупликаций, горизонтальных переносов, и гены расходились только в результате видообразования. Это содержательное определение, которое предполагает, что мы знаем, какова была история генов и видов на самом деле. Есть технологические определения, которые являются приближениями к этому содержательному.

Mushegian AR, Koonin EV. A minimal gene set for cellular life derived by comparison of complete bacterial genomes. Proc Natl Acad Sci U S A. 1996; 93(19): 10268-10273. Koonin EV. Orthologs, paralogs, and evolutionary genomics. Annu Rev Genet. 2005; 39: 309-338.

2

Проблема в том, что одну и ту же функцию в организме могут выполнять неродственные белки, одну и ту же реакцию катализировать разные ферменты. Для реакции, которая в организме обязательна, должен быть хотя бы один такой фермент. Он может быть из одного класса или из другого, и ни один не будет покрывать всего множества генов – на это обратил внимание Кунин.

Можно сделать проще: возьмём кишечную палочку (стандартный объект), у которой четыре-шесть тысяч генов (у разных штаммов по-разному), и убьём их по одному с помощью генноинженерных методов, которые позволяют выключить один ген так, чтобы он не работал, а все остальные при этом остались нетронутыми. Если мы смогли вырастить такой штамм, значит, этот ген не был обязательным. Если мы убиваем ген и без него ничего вырастить не можем, значит, без него обойтись нельзя.

Koonin EV, Mushegian AR, Bork P. Non-orthologous gene displacement. Trends Genet. 1996; 12(9): 334-336.

3

Здесь снова есть ловушка: всё зависит от того, на какой среде вы эту бактерию растите. Если на такой, где единственным источником углерода является, скажем, фруктоза, и вы убили транспортёр фруктозы или фермент, который катализирует первую реакцию питания фруктозой, то всё: у вас в среде, кроме фруктозы, ничего нет, а возможность ей питаться вы бактерии сломали. Если вы в эту же среду нальёте глюкозу, то штамм станет жить и процветать.

Таких примеров очень много, поэтому можно растить бактерии на богатой среде, в которой есть вообще всё, что может им понадобиться, и смотреть, каков минимальный геном в ней. Это тоже разумное определение, но более мягкое, чем эволюционное. Иными словами, генов, которые абсолютно универсальны, меньше, чем генов, которые оказываются обязательными вот при таком индивидуальном выключении.

Joyce AR, Reed JL, White A, Edwards R, Osterman A, Baba T, Mori H, Lesely SA, Palsson BØ, Agarwalla S. Experimental and computational assessment of conditionally essential genes in Escherichia coli. J Bacteriol. 2006; 188(23): 8259-8271.

4

Это ещё тоже не вся правда, потому что в реальности бактерии не живут в пробирке с богатой средой, и есть совершенно другой экспериментальный способ для того, чтобы определять, какие гены являются обязательными. Он устроен так: вы берёте сразу популяцию бактерий, заражаете их транспозоном – это такой маленький паразитический участок ДНК, который умеет вставиться в случайное место генома – а дальше определяете очень много последовательностей мест, куда этот транспозон вставился. Логика следующая: если ген абсолютно обязателен, то вставка транспозона в этот ген будет бактерию убивать. А если ген не обязателен, то транспозон может вставиться в него, и ничего ужасного от этого не произойдёт. Если мы секвенировали очень много геномов таких бактерий, чтобы получить статистически значимые результаты, и увидели гены, в которые транспозон не встраивается никогда (вернее, он встраивается, но мы не можем этого наблюдать, т.к. от того, что соответствующий ген сломался, бактерия, несущая вставку транспозона, умерла), то таким способом мы определили обязательные гены.

Hutchison CA, Peterson SN, Gill SR, Cline RT, White O, Fraser CM, Smith HO, Venter JC. Global transposon mutagenesis and a minimal Mycoplasma genome. Science. 1999; 286(5447): 2165-2169.

5

В этом случае обязательных генов оказывается гораздо больше, чем при индивидуальном клональном выращивании на богатой среде, потому что там бактерий становится очень много, и они соревнуются друг с другом. Если вставка не убивает бактерию, а чуть-чуть ухудшает её, то она начинает проигрывать в соревновании с другими. Из-за этого в среде с мутагенезом (вставки – это фактически мутации) проигрывают не только совсем нежизнеспособные, а ещё и инвалиды. Если бы мы выращивали последних в пробирке одних, мы бы никогда не заметили, что она делится чуть-чуть медленнее, а когда организмы соревнуются, то мы это сразу видим.

6

Метод с использованием транспозонов – это приближение к реальной ситуации, которая существует там, где исследуемые бактерии на самом деле живут в природе. Но есть ещё внешние воздействия, внешние враги, так что нет предела совершенству, и возможны другие определения минимального генома. Эти три все разумны в зависимости от того, какие задачи вы ставите.

7

Экспериментально сейчас с минимальными геномами больше всего работает Крейг Вентер, который занимался геномом человека, а потом переключился на геномы бактерий. Прикладная идея, которую он при этом пытается продавать, мне, если честно, не очень нравится: мол, мы сделаем минимальный геном, а потом будем по желанию добавлять в него какие-то куски и делать «дизайнерские» бактерии по заказу. Я не очень понимаю, почему это технологически оправдано, т.к. мы можем делать это и сейчас с той же кишечной палочкой (у нас есть набор технологических штаммов). Вентер говорит, что в бактериях с минимальным геномом не будет ничего лишнего. Это так, конечно, но они при этом будут довольно-таки дохлыми. Я не знаю, как он объясняет свой проект инвесторам инвесторам, но это дело не моё. А научно и технологически это всё очень красиво, и он сделал несколько принципиальных технологических шагов по пересадке геномов из бактерии в бактерию, по синтезу очень длинных жизнеспособных молекул ДНК, так что потом их можно пересадить в бактерию и она будет жить, используя эту ДНК как геном.

Check E. Venter aims for maximum impact with minimal genome. Nature. 2002; 420(6914): 350. Gibson DG, Glass JI, Lartigue C, Noskov VN, Chuang RY, Algire MA, Benders GA, Montague MG, Ma L, Moodie MM, Merryman C, Vashee S, Krishnakumar R, Assad-Garcia N, Andrews-Pfannkoch C, Denisova EA, Young L, Qi ZQ, Segall-Shapiro TH, Calvey CH, Parmar PP, Hutchison CA 3rd, Smith HO, Venter JC. Creation of a bacterial cell controlled by a chemically synthesized genome. Science. 2010; 329(5987): 52-56.