Natura ma pomysłowy sposób na wykorzystanie korzystnych sytuacji.

Weźmy na przykład Candida auris. 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 r. zagrożenie ze strony C. auris było na tyle poważne, że Amerykańskie Centrum Kontroli i Zapobiegania Chorobom uznało je za poważne globalne zagrożenie dla zdrowia, powołując się na rozprzestrzenianie się drożdżaków i ich odporność na wiele leków przeciwgrzybiczych.

W zeszłym miesiącu CDC poinformowało, że C. auris wykryto 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 badania. „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 innym chorobotwórczym gatunku 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. Wszystkie podążały podobnymi ścieżkami ewolucyjnymi”.

Samo badanie wywodzi się z klasy bioinformatycznej na poziomie magisterskim w Iowa. Jesienią 2019 r. instruktorzy kursu skoncentrowali program nauczania na C. auris, której genom składający się z 5000 genów został niedawno zsekwencjonowany. Jedna grupa studentów postanowiła zbadać skłonność C. auris 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 na 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 mogli poczuć się tak, jakby dokonywali (i dokonywali) nowych odkryć” – mówi Fassler, dyrektor programu nauk biomedycznych i współautor korespondujący na studiach.

Naukowcy chcą następnie zbadać, poprzez eksperymenty, w szczególności, w jaki sposób rodzina Hil pozwala C. auris stać się adhezyjnym. 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 dla leków, jeśli uda nam się wymyślić, jak ją zahamować” – mówi.

Badanie „Parallel ekspansja i dywergencja rodziny adhezyjnej w patogennych drożdżach” zostało opublikowane w czasopiśmie Genetyka.