Круглые черви используют чужие гены

Противники употребления ГМО-продуктов боятся, что эти "ноу-хау" могут "заразить человеческий организм чужой ДНК. Однако, как показывают исследования, ничего страшного в подобном межвидовом обмене генами нет, это весьма распространенное явление в мире живой природы. Некоторые животные даже научились использовать данные гены в своих целях.

Одна из самых популярных биологических "страшилок" нашего времени — генетически модифицированные продукты питания. Те, кто выступают за то, чтобы запретить это полезное достижение науки, часто приводят в качестве весомого аргумента достаточно странное предположение, что ДНК этих продуктов может внедриться в геном человека и вызвать различные мутации.

Даже если на секунду предположить, что такое возможно (на самом деле вряд ли — все нуклеиновые кислоты, содержащиеся в пище, в том числе и ДНК, разбираются ферментами кишечника и поджелудочной железы на "запчасти" меньше, чем за пять минут), то непонятно, почему следует этого бояться? Обмен генами между разными видами живых существ — абсолютно нормальное явление, и происходит он достаточно часто.

Известно, что подобный обмен, или, как его называют ученые, горизонтальный перенос генов, широко распространен в мире бактерий. Долгое время считалось, что для высших организмов, особенно многоклеточных животных и растений, горизонтальный перенос отнюдь не характерен и встречается лишь как редкая аномалия. Однако недавние исследования доказали, что гены и даже целые геномы паразитических бактерий иногда могут становиться составными частями хромосом животных-хозяев.

Американские ученые изучили подобный обмен, происходящий между паразитической бактерией вольбахией (Wolbachia) и ее хозяином, плодовой мушкой дрозофилой (Drosophila ananassae).

В результате экспериментов выяснилось, что многие особи насекомых, которые были заражены данной бактерией, имели в своем геноме не просто фрагменты ДНК, а даже полную копию генома своего сожителя. После того как опытные образцы вылечили от паразита (убив вольбахий антибиотиком), оказалось, что генный "мусор" не исчез из клеток, а наоборот, чувствовал себя превосходно.

Исследовали также установили, что многие гены, заимствованные мухой у бактерии, активно работают в клетке нового хозяина, то есть на их основе синтезируются белки, прежде насекомому не свойственные. При этом не было заметно, чтобы дрозофилы хоть как-то страдали от их деятельности — наоборот, активно росли, размножались и, кстати, давали вполне полноценное потомство.

Однако какую конкретно функцию выполняют данные гены в теле нового хозяина, выяснить пока не удалось. А вот исследователям, изучавшим трансгенных круглых червей (Nematoda), повезло куда больше — им удалось выяснить, каким образом данные животные используют гены, попавшие к ним в результате горизонтального переноса.

"Подопытные" нематоды из отряда тиленхид (Tylenchidae) являются паразитами различных видов растений. В их глотках имеется специальное "шило" (стилет), которым они прокалывают толстые целлюлозные стенки растительных клеток, впрыскивают в них специальные ферменты и высасывают переваренное содержимое.

Долгое время ученые не понимали, каким образом достаточно хрупкому и тонкому стилету удается пробить мощную клеточную оболочку, состоящую из целлюлозы и пектинов (это все равно что пытаться пробить вязальной спицей кирпичную стену).

Оказалось, что сам стилет вовсе и не пытается сокрушить препятствие — он лишь чуть прокалывает клеточную стенку, а дальше нематода впрыскивает в прокол специальные вещества, разрушающие преграду. Причем все эти вещества создаются на основе генов, которые тиленхиды получили от бактерий много миллионов лет назад.

Что же это за вещества? Во-первых, специальные белки полигалактуроназы, которые участвуют в расщеплении пектинов. Эти ферменты не встречаются у животных, за исключением паразитических нематод. Судя по всему, нематоды заимствовали ген этого белка у микроорганизма, близкого к современной бактерии Ralstonia solanacearum.

Самое интересное, что эта бактерия паразитирует на тех же самых растениях, что тиленхиды, заимствовавшие ее ген. Ученые предполагают, что генетический горизонтальный перенос произошел тогда, когда предки современных паразитических нематод проглатывали предков ральстонии, копаясь в корнях растений (то есть питались, по сути дела, генетически модифицированными продуктами).

У других паразитических бактерий — актинобактерий, тиленхиды позаимствовали целые комплексы генов, кодирующих ферменты пектат-лиазы и арабиназы. Эти белки также могут расщеплять пектины, однако несколько другим способом. Причем, судя по всему, различные участки генов бактерий попали в геном нематод от разных видов бактерий, а окончательная сборка произошла уже в клетке нового хозяина.

Также нематоды используют уникальный фермент целлюлазу, которая может расщепить основной компонент клеточной стенки — целлюлозу. Больше ни у каких животных этот фермент в организме не присутствует, их могут выделять только бактерии.

Целлюлазы паразитических тиленхид очень похожи на подобные белки почвенной бактерии Cytophaga hutchinsonii, которая славится своей способностью быстро переваривать целлюлозу. Скорее всего, нематоды позаимствовали ценный ген у некоей древней протобактерии, близкой к Cytophaga hutchinsonii.

От бактерий же тиленхиды получили и ряд других веществ, помогающих им пробивать твердые оболочки растительных клеток, например, экспансины — белки, способные размягчать клеточную стенку, разрушая связи между веществами, ее составляющими.

Эти вещества также не найдены ни у кого из животных — их могут синтезировать лишь бактерии, растения и грибы. От какого представителя "царства бактерий" тиленхиды получили нужные гены, сказать сложно, однако, скорее всего, от актинобактерий.

Итак, с помощью горизонтального переноса бактерии смогли подарить нематодам одно из самых совершенных в мире животных приспособлений для "взлома" растительной клетки. Ученые считают, что только благодаря подобным подаркам предки тиленхид и смогли стать "охотниками за растениями" — без этого они бы до сих пор ковырялись в почве, поедая гниющие листья. Так что, как видим, в данном случае проникновение в клетку чужих генов позволило их новым хозяевам достичь эволюционного прогресса.

Иногда при горизонтальном переносе создается уникальный организм с огромными возможностями. Так произошло с морскими моллюсками Elysia chlorotica, в геном которых в процессе эволюции попала ДНК генов морской водоросли. В результате подобного "скрещивания" эти существа смогли сохранять в своих клетках хлоропласты (клеточные органы, в которых происходит фотосинтез) съеденных ими растений.

Рассматривая этот удивительный процесс, мы видим, что в результате горизонтального переноса появилось существо, сочетающее в себе способности животных и растений.

Можно быть уверенными, что такие моллюски не жалуются на свою судьбу, а наоборот, благодарят ее — ведь теперь, если рядом нет растительной пищи, они, подобно водорослям, сами обеспечат себя питательными веществами, был бы день солнечный. А ночью можно вернуться к обычному для них вегетарианству, ведь все необходимые для этого органы у них остались на месте.

Поэтому незачем бояться того, что попавшие в наши клетки чужие гены обязательно навредят своим новым хозяевам. Зачастую происходит совсем наоборот — подаренное ДНК помогает виду преуспеть.

Антон Евсеев