Od tropików po bieguny, od powierzchni morza po setki stóp pod ziemią, światowe oceany roją się od jednego z najmniejszych organizmów: rodzaju bakterii o nazwie prochlorokoki, które pomimo swoich niewielkich rozmiarów wspólnie odpowiadają za znaczną część produkcji tlenu w oceanach. Ale niezwykła zdolność tych maleńkich organizmów do różnicowania się i dostosowywania do tak głęboko różnych środowisk pozostaje czymś w rodzaju tajemnicy.

Teraz nowe badania ujawniają, że te maleńkie bakterie wymieniają między sobą informacje genetyczne, nawet jeśli są daleko od siebie, dzięki wcześniej nieudokumentowanemu mechanizmowi. Umożliwia im to przekazywanie całych bloków genów, takich jak te, które nadają zdolność metabolizowania określonego rodzaju składników odżywczych lub obrony przed wirusami, nawet w regionach, w których ich populacja w wodzie jest stosunkowo niewielka.

Odkrycia opisują nową klasę czynników genetycznych zaangażowanych w poziomy transfer genów, w którym informacja genetyczna jest przekazywana bezpośrednio między organizmami — tego samego lub różnych gatunków — w sposób inny niż pochodzenie liniowe. Naukowcy nazwali czynniki przeprowadzające ten transfer „tychepozonami”, które są sekwencjami DNA, które mogą obejmować kilka całych genów, jak również otaczające je sekwencje i mogą spontanicznie oddzielić się od otaczającego DNA. Następnie mogą być transportowane do innych organizmów przez jeden lub inny możliwy system nośników, w tym małe pęcherzyki zwane pęcherzykami, które komórki mogą wytwarzać z własnych błon.

Badania, które obejmowały badanie setek prochlorokoki genomy z różnych ekosystemów na całym świecie, a także wyhodowane laboratoryjnie próbki różnych wariantów, a nawet procesy ewolucyjne przeprowadzane i obserwowane w laboratorium, opisano dzisiaj w czasopiśmie Komórkaw artykule byłych doktorów MIT Thomasa Hackla i Raphaëla Laurenceau, odwiedzających postdoc Markusa Ankenbranda, profesor Instytutu Sallie „Penny” Chisholm i 16 innych osób z MIT i innych instytucji.

Chisholm, który odegrał rolę w odkryciu tych wszechobecnych organizmów w 1988 r., mówi o nowych odkryciach: „Jesteśmy bardzo podekscytowani, ponieważ jest to nowy horyzontalny czynnik przenoszenia genów dla bakterii i wyjaśnia wiele wzorców w którym widzimy prochlorokoki w naturze niesamowita różnorodność”. Obecnie uważane za najobficiej występujący organizm fotosyntetyzujący na świecie, maleńkie odmiany tak zwanych sinic są również najmniejszymi ze wszystkich fotosyntetyzatorów.

Hackl, który obecnie pracuje na Uniwersytecie w Groningen w Holandii, mówi, że prace rozpoczęto od zbadania 623 zgłoszonych sekwencji genomu różnych gatunków prochlorokoki z różnych regionów, próbując dowiedzieć się, w jaki sposób byli w stanie tak łatwo stracić lub zyskać określone funkcje, pomimo widocznego braku jakichkolwiek znanych systemów promujących/zwiększających poziomy transfer genów, takich jak plazmidy lub wirusy znane jako profagi.

Hackl, Laurenceau i Ankenbrand badali „wyspy” materiału genetycznego, które wydawały się być gorącymi punktami zmienności i często zawierały geny związane ze znanymi kluczowymi procesami przetrwania, takimi jak zdolność asymilacji niezbędnych i często ograniczających składników odżywczych, takich jak żelazo lub azotu lub fosforanów. Wyspy te zawierały geny, które różniły się ogromnie między różnymi gatunkami, ale zawsze występowały w tych samych częściach genomu, a czasami były prawie identyczne, nawet u bardzo różnych gatunków – silny wskaźnik transferu poziomego.

Ale genomy nie wykazywały żadnych typowych cech związanych z tak zwanymi ruchomymi elementami genetycznymi, więc początkowo pozostawało to zagadką. Stopniowo stało się jasne, że ten system transferu i dywersyfikacji genów różni się od któregokolwiek z kilku innych mechanizmów obserwowanych u innych organizmów, w tym u ludzi.

Hackl opisuje to, co znaleźli, jako coś w rodzaju genetycznego zestawu LEGO, z kawałkami DNA połączonymi razem w sposób, który może niemal natychmiast nadać zdolność przystosowania się do określonego środowiska. Na przykład gatunek ograniczony dostępnością określonych składników odżywczych może nabyć geny niezbędne do zwiększenia wchłaniania tego składnika odżywczego.

Wydaje się, że drobnoustroje wykorzystują różne mechanizmy do transportu tychepozonów (nazwa pochodzi od imienia greckiej bogini Tyche, córki Oceanusa). Jednym z nich jest wykorzystanie pęcherzyków błonowych, małych pęcherzyków zebranych z powierzchni komórki bakteryjnej i uwolnionych z tymiepozonami w jej wnętrzu. Innym jest „przejęcie” infekcji wirusowych lub fagowych i umożliwienie im przenoszenia tychepozonów wraz z ich własnymi cząstkami zakaźnymi, zwanymi kapsydami. Są to skuteczne rozwiązania, mówi Hackl, „ponieważ na otwartym oceanie komórki te rzadko mają kontakt między komórkami, więc trudno im wymieniać informacje genetyczne bez nośnika”.

I rzeczywiście, kiedy badano kapsydy lub pęcherzyki zebrane z otwartego oceanu, „są one rzeczywiście dość wzbogacone” w te elementy genetyczne, mówi Hackl. Pakiety użytecznego kodu genetycznego „pływają w tych cząstkach pozakomórkowych i potencjalnie mogą zostać wchłonięte przez inne komórki”.

Chisholm mówi, że „w świecie genomiki istnieje wiele różnych typów tych elementów” — sekwencji DNA, które można przenosić z jednego genomu do drugiego. Jednak „to nowy typ” — mówi. Hackl dodaje, że „jest to odrębna rodzina ruchomych elementów genetycznych. Ma podobieństwa do innych, ale nie ma naprawdę ścisłych powiązań z żadnym z nich”.

Chociaż to badanie było specyficzne dla prochlorokoki, Hackl mówi, że zespół uważa, że ​​zjawisko to może być bardziej uogólnione. Znaleźli już podobne elementy genetyczne w innych, niepowiązanych bakteriach morskich, ale nie przeanalizowali jeszcze szczegółowo tych próbek. „Analogiczne pierwiastki zostały opisane u innych bakterii i teraz myślimy, że mogą funkcjonować podobnie” – mówi.

„To swego rodzaju mechanizm plug-and-play, w którym możesz mieć elementy, którymi możesz się bawić i tworzyć różne kombinacje” — mówi. „I przy ogromnej liczbie ludności prochlorokokimoże dużo grać i próbować wielu różnych kombinacji”.

Nathan Ahlgren, adiunkt biologii na Clark University, który nie był związany z tymi badaniami, mówi: „Odkrycie tychepozonów jest ważne i ekscytujące, ponieważ zapewnia nowe mechanistyczne zrozumienie tego, jak prochlorokoki są w stanie wymieniać i wymieniać nowe geny, a tym samym cechy ważne z ekologicznego punktu widzenia. Tycheposony dostarczają nowego mechanistycznego wyjaśnienia, jak to się robi”. Mówi: „wybrali kreatywny sposób, aby wyłowić i scharakteryzować te nowe elementy genetyczne„ ukrywające się ”w genomach prochlorokoki.”

Dodaje, że wyspy genomowe, części genomu, w których znaleziono te tepozony, „występują w wielu bakteriach, nie tylko w bakteriach morskich, więc przyszłe prace nad tymiepozonami mają szersze implikacje dla naszego zrozumienia ewolucji genomów bakteryjnych”.

Odniesienie: Hackl T, Laurenceau R, Ankenbrand MJ i in. Nowe elementy integracyjne i plastyczność genomu w ekosystemach oceanicznych. Komórka. 2023;186(1):47-62.e16. doi: 10.1016/j.cell.2022.12.006.

Ten artykuł został ponownie opublikowany z następujących materiałów. Uwaga: materiał mógł zostać zredagowany pod względem długości i treści. Aby uzyskać więcej informacji, skontaktuj się z cytowanym źródłem.