Natura ma pomysłowy sposób na wykorzystanie korzystnych sytuacji.

Brać Candida auris, Na przykład. Drożdżak ten był nieznany jeszcze w 2009 roku, ale pojawił się na scenie, gdy naukowcy dowiedzieli się, że powoduje zagrażające życiu inwazyjne infekcje u pacjentów w szpitalach i placówkach opieki. W 2019 roku zagrożenie od C. auris była na tyle poważna, że ​​Amerykańskie Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom uznało ją za poważne globalne zagrożenie dla zdrowia, powołując się na rozprzestrzenianie się drożdżaków i ich odporność na wiele leków przeciwgrzybiczych. CDC poinformowało w zeszłym miesiącu C. auris został wykryty w prawie połowie stanów w USA

Jak więc proste, nieznane drożdże nagle stały się wrogiem zdrowia publicznego? Część odpowiedzi, twierdzą biolodzy z University of Iowa, znajduje się w rodzinie genów, która koduje właściwości lepkości lub adhezyny, które wydają się kluczowe dla zjadliwości chorób grzybiczych, w tym niektórych zagrażających ludziom.

W nowym badaniu naukowcy donoszą, że jedna taka rodzina adhezyn, zwana rodziną Hil, istniała u wspólnego przodka wszystkich gatunków drożdży, ale jest liczniejsza u gatunków chorobotwórczych niż łagodnych. Co więcej, naukowcy odkryli, że niektóre gatunki chorobotwórcze z dużą rodziną genów Hil są daleko spokrewnione, co sugeruje, że każdy gatunek z dużą rodziną Hil niezależnie wyewoluował wielkość rodziny, zamiast przekazywać geny.

„Odkryliśmy, że ta rodzina genów specyficznie i wielokrotnie rozszerzała się przez duplikacje genów w patogennych liniach drożdży” – mówi Bin He, adiunkt na Wydziale Biologii i współautor korespondujący w badaniu. „Co więcej, ich sekwencje ewoluowały szybko po duplikacjach, prawdopodobnie generując różnorodność funkcjonalną, aby umożliwić drożdżom przystosowanie się do złożonego środowiska żywiciela”.

Element adaptacyjny jest kluczowy: geny Hil prawdopodobnie kodują białka, które pozwalają organizmowi stać się adhezyjnym. Mówiąc dokładniej, białka, poprzez swoją strukturę, pomagają komórkom drożdży przyklejać się do tkanek żywiciela i powierzchni nieożywionych (takich jak cewniki) oraz zszywać się razem, jak blokujące się klocki Lego, tworząc prawie nieprzeniknioną, lekooporną ścianę, zwaną biofilmem. .

Można powiedzieć, że to dobór naturalny w najlepszym wydaniu lub najbardziej diabelski. Geny Hil albo nie są obecne, albo nie są aktywne w wielu innych gatunkach drożdży, takich jak drożdże piekarskie, które w rzeczywistości są korzystne dla ludzi (zakładając, że ludzie lubią chleb). Naukowcy odkryli jednak, że u gatunków chorobotwórczych rodzina Hil (skrót od Hyr/Iff-like) jest bardzo żywa i ma się dobrze, siejąc spustoszenie w adhezji.

„To ewolucja zbieżna” — mówi. „Znajdziesz sposób na sukces w niszy środowiskowej”.

Naukowcy zsekwencjonowali białka z rodziny adhezyn i przeszukali wszystkie inne organizmy – w tym królestwa roślin, zwierząt i bakterii – aby dowiedzieć się, czy jakikolwiek inny gatunek ma podobną sekwencję białek. Znaleźli rodzinę genów Hil tylko w jednym miejscu, klasie Saccharomycetes, części królestwa Fungi.

Analiza ujawniła kolejną ważną wskazówkę: rodzina Hil pojawiła się u gatunków, które nie miały bliskich krewnych, mówiąc taksonomicznie. Na przykład rodzina Hil jest obecna i aktywna w C. auris i inne gatunki chorobotwórcze, Candida albicans. Ale kiedy naukowcy przyjrzeli się bliżej spokrewnionym gatunkom dla każdego z nich, liczba genów Hil była albo niska, albo w ogóle nie istniała.

„To jest idea równoległej lub niezależnej ewolucji” — mówi. „Zasadniczo te geny osiągnęły ten sam stan końcowy, nie przez schodzenie, nie przez dziedziczenie, ale przez niezależną ewolucję. Wszyscy przeszli podobne ścieżki ewolucyjne”.

Samo badanie wywodzi się z klasy bioinformatycznej na poziomie magisterskim w Iowa. Jesienią 2019 roku instruktorzy kursu skupili się na programie nauczania C. auris, którego genom składający się z 5000 genów został niedawno zsekwencjonowany. Jedna grupa studentów postanowiła to zbadać C. auris’ skłonność do lepkości.

To był mądry i owocny wybór.

„Wybraliśmy białka na podstawie domen ze słowami kluczowymi, które naszym zdaniem mogą być zaangażowane w lepkość patogenu grzybowego i wymyśliliśmy tę grupę adhezyn” – wyjaśnia Lindsey Snyder, która była studentką tej klasy i robi doktorat z genetyki w Iowa. „W tamtym czasie w genomie, nad którym pracowaliśmy, zgłoszono dwie małe rodziny adhezyn, więc kiedy zdaliśmy sobie sprawę, jak duża jest ta rodzina (Hil), byliśmy prawie pewni, że znaleźliśmy coś, co nie zostało jeszcze scharakteryzowane w tym gatunku ”.

Jan Fassler, profesor na Wydziale Biologii, który zainicjował zajęcia w 2013 roku wraz z profesorem nadzwyczajnym biologii Albertem Erivesem, mówi, że instruktorzy wybierali genomy, które były nowe w literaturze i miały intrygujące cechy biologiczne.

„Wybraliśmy niedawno zsekwencjonowane genomy, aby było bardzo mało wcześniejszych badań, dzięki czemu uczniowie mieli wrażenie, że dokonywali (i dokonywali) nowych odkryć”, mówi Fassler, dyrektor programu nauk biomedycznych i współautor korespondujący na studiach.

Następnie naukowcy chcą zbadać, poprzez eksperymenty, w szczególności, w jaki sposób pozwala na to rodzina Hil C. auris stać się klejącym. To posunęłoby badania poza identyfikację zaangażowanych genów i mogłoby doprowadzić do postępu medycznego.

„Oto nadzieja: zidentyfikowaliśmy rodzinę genów, która może odgrywać ważną rolę w patogenezie i jest ograniczona do tej grupy grzybów. Może to być cel leku, jeśli uda nam się wymyślić, jak go zahamować” – mówi.

Badanie „Równoległa ekspansja i dywergencja rodziny adhezyjnej w patogennych drożdżach” zostało opublikowane online w czasopiśmie Genetyka 16 lutego .

Rachel Smoak, która uzyskała doktorat z inżynierii lądowej i środowiskowej w Iowa w 2022 roku i była członkiem grupy studentów, która badała rodzinę genów Hil, jest współautorką badania.

Badania sfinansowały Narodowe Instytuty Zdrowia i Narodowa Fundacja Nauki.