Введение

Передача генов от неродственных организмов – естественный процесс. Горизонтальный перенос генов (ГПГ) или латеральный перенос генов (ЛПГ) – это перемещение генетического материала между организмами иным способом, чем ("вертикальная") передача ДНК от родителя к потомству (размножение). ГПГ является важным фактором эволюции многих организмов. ГПГ оказывает влияние на научное понимание эволюции более высоких организмов, и в еще большей степени меняет представления об эволюции бактерий. Горизонтальный перенос генов – основной механизм распространения устойчивости к антибиотикам у бактерий и играет важную роль в эволюции бактерий, способных расщеплять новые соединения, такие как пестициды, созданные человеком, а также в эволюции, поддержании и передаче вирулентности. В этом процессе часто участвуют умеренные бактериофаги и плазмиды. Гены, ответственные за устойчивость к антибиотикам у одного вида бактерий, могут передаваться другому виду бактерий посредством различных механизмов ГПГ, таких как трансформация, трансдукция и конъюгация, тем самым наделяя реципиента генов устойчивости к антибиотикам защитой от антибиотиков. Быстрое распространение генов устойчивости к антибиотикам таким образом становится серьезной проблемой в медицине. Экологические факторы также могут играть роль в ГПГ генов устойчивости к антибиотикам. Горизонтальный перенос генов признан широко распространенным эволюционным процессом, который распространяет гены между различными линиями прокариот и может также включать эукариот. Предполагается, что ГПГ способствует поддержанию универсальной биохимии жизни и, как следствие, универсальности генетического кода.

История

Эксперимент Гриффита, о котором сообщил Фредерик Гриффит в 1928 году, был первым экспериментом, указывающим на то, что бактерии способны передавать генетическую информацию посредством процесса, известного как трансформация. За открытиями Гриффита последовали исследования в конце 1930-х и начале 1940-х годов, в ходе которых ДНК была выделена как носитель этой генетической информации. Горизонтальный перенос генов был впервые описан в Сиэтле в 1951 году в статье, демонстрирующей, что перенос вирусного гена в Corynebacterium diphtheriae привел к образованию вирулентного штамма из непатогенного, одновременно раскрывая механизм дифтерии (пациенты могут быть инфицированы бактериями, но не проявлять симптомов, а затем внезапно заболеть позднее или никогда), и предоставив первый пример значимости лизогенного цикла. Межбактериальный перенос генов был впервые описан в Японии в публикации 1959 года, в которой была продемонстрирована передача устойчивости к антибиотикам между различными видами бактерий. В середине 1980-х годов Сиванен предположил, что биологически значимый латеральный перенос генов существовал с самого начала жизни на Земле и участвовал в формировании всей эволюционной истории. Как выразились Цзянь, Ривера и Лейк (1999): «Все больше исследований генов и геномов указывают на значительный горизонтальный перенос между прокариотами» (см. также Лейк и Ривера, 2007). По-видимому, это явление имело некоторое значение и для одноклеточных эукариотов. Как отмечают Баптист и др. (2005), «дополнительные данные свидетельствуют о том, что перенос генов также может быть важным эволюционным механизмом в эволюции протистов». Прививка одного растения к другому может передавать хлоропласты (органеллы в растительных клетках, осуществляющие фотосинтез), митохондриальную ДНК и все клеточное ядро, содержащее геном, потенциально создавая новый вид. Некоторые чешуекрылые (например, бабочки-монархи и шелкопряды) были генетически модифицированы посредством горизонтального переноса генов от браковируса наездников. Укусы насекомых из семейства Reduviidae (клопы-хищники) могут, через паразита, заражать людей трипаносомозом, вызывающим болезнь Шагаса, который способен встраивать свою ДНК в геном человека. Предполагается, что латеральный перенос генов от бактерий к человеку может играть роль в развитии рака. Аарон Ричардсон и Джеффри Д. Палмер утверждают: «Горизонтальный перенос генов (ГПГ) сыграл важную роль в эволюции бактерий и довольно распространен у некоторых одноклеточных эукариотов. Однако распространенность и значимость ГПГ в эволюции многоклеточных эукариотов остаются неясными». В связи с растущим количеством доказательств, указывающих на важность этих явлений для эволюции (см. ниже), молекулярные биологи, такие как Питер Гогартен, описали горизонтальный перенос генов как «Новую парадигму для биологии».

Горизонтальный транспозионный перенос

Транспозиционный элемент (ТЭ) (также называемый транспозоном или «прыгающим» геном) — это мобильный сегмент ДНК, который способен захватывать ген устойчивости и встраивать его в плазмиду или хромосому, тем самым индуцируя горизонтальный перенос генов устойчивости к антибиотикам. С точки зрения транспозируемых элементов, распространение между геномами посредством горизонтального переноса можно рассматривать как стратегию избежания удаления в результате очищающего отбора, мутационного распада и/или защитных механизмов хозяина. Горизонтальный перенос транспозируемых элементов (HTT) может происходить с любым типом транспозируемых элементов, но транспозоны ДНК и ретроэлементы LTR более склонны к HTT, поскольку оба имеют стабильный двухцепочечный ДНК-интермедиат, который считается более устойчивым, чем одноцепочечный РНК-интермедиат не-LTR ретроэлементов, который может быть подвержен деградации. Показано, что HTT происходит между видами и на разных континентах как у растений, так и у животных (Ivancevic et al. 2013), хотя некоторые ТЭ более успешно колонизируют геномы определенных видов, чем другие. Пространственная и таксономическая близость видов предположительно благоприятствуют HTT у растений и животных. Успешный перенос транспозируемого элемента требует доставки ДНК от донора к клетке-хозяину (и к зародышевой линии у многоклеточных организмов) с последующей интеграцией в геном реципиента. Обнаружение HTT — сложная задача, поскольку это продолжающийся процесс, частота и состав ТЭ в геномах хозяев постоянно меняются. Кроме того, лишь небольшое число видов было проанализировано на предмет HTT, что затрудняет установление закономерностей событий HTT между видами. Эти проблемы могут приводить к недооценке или переоценке событий HTT между предковыми и современными эукариотическими видами. Геном Спутника предоставляет новые сведения о его биологии. Хотя 13 его генов мало похожи на какие-либо другие известные гены, три из них тесно связаны с генами мимивирусов и мамавирусов, возможно, были поглощены этим крошечным вирусом в процессе упаковки частиц в какой-то момент его истории. Это позволяет предположить, что спутниковый вирус способен осуществлять горизонтальный перенос генов между вирусами, подобно тому, как бактериофаги переносят гены между бактериями. Горизонтальный перенос также наблюдается между геминивирусами и табачными растениями.

Прокариоты

Горизонтальная передача генов широко распространена среди бактерий, даже среди очень далёко родственных видов. Этот процесс считается значительной причиной повышения устойчивости к лекарственным препаратам, когда одна бактериальная клетка приобретает устойчивость, а гены устойчивости передаются другим видам. Транспозиция и горизонтальная передача генов, наряду с сильными силами естественного отбора, привели к появлению мультирезистентных штаммов S. aureus и многих других патогенных бактерий. Предложены стратегии борьбы с некоторыми бактериальными инфекциями путем воздействия на эти специфические факторы вирулентности и мобильные генетические элементы, включая интеграны. Однако, они чаще выступают хромосомным барьером для MGE, чем инструментом MGE для инфицирования клеток. О боковой передаче генов посредством мобильного генетического элемента, а именно интегрированного конъюгативного элемента (ICE) Bs1, сообщалось в связи с его ролью в глобальном ответе SOS на повреждение ДНК у грамположительной Bacillus subtilis. Кроме того, она связана с устойчивостью к радиации и высыханию спор Bacillus pumilus SAFR 032, выделенных из чистых помещений космических аппаратов. Элементы вставки транспозонов, как сообщается, повышают приспособляемость граммотрицательных штаммов E. coli либо посредством крупных транспозиций, либо перестроек генома, а также увеличивают частоту мутаций. В исследовании влияния длительного воздействия имитируемой микрогравитации на непатогенную E. coli было показано, что вставки транспозонов происходят в локусах, связанных с SOS-стрессовым ответом. Когда тот же штамм E. coli подвергался воздействию комбинации имитируемой микрогравитации и следовых (фоновых) уровней (широкого спектра) антибиотика (хлорамфеникола), результаты показали транспозон-опосредованные перестройки (ТМР), нарушающие гены, участвующие в бактериальной адгезии, и удаление целого сегмента нескольких генов, связанных с подвижностью и хемотаксисом. Оба этих исследования имеют значение для роста микроорганизмов, адаптации к условиям космоса и устойчивости к антибиотикам в реальном времени. Горизонтальная передача генов особенно активна в бактериальных геномах в области производства вторичных или специализированных метаболитов. Определенные участки генов, известные как «горячие точки», дополнительно повышают вероятность горизонтального переноса генов, продуцирующих вторичные метаболиты.

Бактериальная трансформация

Природная трансформация – это бактериальная адаптация для переноса ДНК (HGT), зависящая от экспрессии множества бактериальных генов, продукты которых обеспечивают этот процесс. В целом, трансформация представляет собой сложный, энергозатратный процесс развития. Чтобы бактерия могла связываться с экзогенной ДНК, поглощать её и рекомбинировать в свою хромосому, она должна стать компетентной, то есть перейти в особое физиологическое состояние. Развитие компетентности у Bacillus subtilis требует экспрессии около 40 генов. ДНК, интегрированная в хромосому-реципиент, обычно (но с редкими исключениями) происходит от другой бактерии того же вида и, следовательно, гомологична резидентной хромосоме. Способность к естественной трансформации обнаружена как минимум у 67 видов прокариот. Трансформацию у бактерий можно рассматривать как примитивную форму полового процесса, поскольку она включает взаимодействие гомологичной ДНК от двух особей с образованием рекомбинантной ДНК, которая передается последующим поколениям. Хотя трансдукция является наиболее распространенной формой HGT, связанной с бактериофагами, некоторые фаги также могут способствовать трансформации.

Бактериальная конъюгация

Конъюгация в Mycobacterium smegmatis, как и в E. coli, требует стабильного и продолжительного контакта между донорской и реципиентной клетками, устойчива к действию DNase, а переданная ДНК интегрируется в хромосому реципиента посредством гомологичной рекомбинации. Однако, в отличие от Hfr-конъюгации (конъюгации с высокой частотой рекомбинации) у E. coli, микобактериальная конъюгация представляет собой тип горизонтального переноса генов (HGT), основанный на хромосоме, а не на плазмиде. Более того, в отличие от Hfr-конъюгации у E. coli, у M. smegmatis все участки хромосомы передаются с сопоставимой эффективностью. В результате конъюгации наблюдалось значительное смешение родительских геномов, которое было признано аналогичным смешению, наблюдаемому в продуктах мейоза при половом размножении.

Трансфер археальной ДНК

Галоархеи – это аэробные галофилы, которые, как считается, эволюционировали от анаэробных метаногенов. Значительная часть их генома, 126 комплексных семейств генов, происходит из генетического материала бактериальных геномов. Это позволило им адаптироваться к экстремально соленым средам. Архея *Sulfolobus solfataricus* при облучении ультрафиолетовым излучением сильно индуцирует образование пилей IV типа, что, в свою очередь, способствует клеточной агрегации. Воздействие химических агентов, вызывающих повреждение ДНК, также индуцирует клеточную агрегацию. Культуры, подвергшиеся воздействию УФ-излучения, демонстрируют скорость рекомбинации, которая в три порядка величины превышает скорость рекомбинации неиндуцированных культур. Клетки *S. solfataricus* преимущественно агрегируются с другими клетками того же вида. Ajon и др. показали, что УФ-излучение индуцирует образование пилей и клеточную агрегацию, а также химические вещества, повреждающие ДНК. Оперон *ups*, содержащий пять генов, сильно индуцируется ультрафиолетовым излучением. Белки, кодируемые опероном *ups*, участвуют в сборке пилей, индуцированной УФ-излучением, и клеточной агрегации, что приводит к межклеточному обмену ДНК и гомологичной рекомбинации. Поскольку эта система повышает выживаемость клеток *S. acidocaldarius* после воздействия УФ-излучения, Wolferen и др. предположили, что передача ДНК, вероятно, происходит для восстановления повреждений ДНК, вызванных УФ-излучением, посредством гомологичной рекомбинации.

Эукариоты

Сравнения последовательностей указывают на недавний горизонтальный перенос многих генов между различными видами, включая перенос через границы филогенетических "доменов". Следовательно, филогенетическую историю вида нельзя установить окончательно, основываясь на построении эволюционных деревьев по отдельным генам.

Органелла к ядерному геному

Анализ последовательностей ДНК показывает, что горизонтальный перенос генов происходил у эукариот из геномов хлоропластов и митохондрий в ядерный геном. Согласно эндосимбиотической теории, хлоропласты и митохондрии, вероятно, произошли от бактериальных эндосимбионтов предка эукариотической клетки.

Органель к органеле

Митохондриальные гены перешли к паразитам семейства Раффлезиевые от их хозяев и от хлоропластов пока еще не идентифицированного растения в митохондрии фасоли Phaseolus.

Бактерии и грибы

Горизонтальный перенос происходит от бактерий к некоторым грибам, например, дрожжам Saccharomyces cerevisiae.

Бактерии для растений

Агробактерия, патогенная бактерия, вызывающая образование кроновых галлов и пролиферацию корней, является примером бактерии, способной переносить гены в растения, что играет важную роль в эволюции растений.

Бактерии к насекомым

HhMAN1 – это ген в геноме кофейного зерновки (Hypothenemus hampei), который имеет сходство с бактериальными генами и, предположительно, был перенесен из бактерий, обитающих в кишечнике жука. oskar – это ген, необходимый для определения зародышевой линии у голометабольных насекомых, и считается, что его происхождение связано с горизонтальным переносом генов (HGT), за которым последовало слияние с доменом LOTUS.

Бактерии для животных

В настоящее время бделлоидные ротиферы удерживают "рекорд" по горизонтальному переносу генов (HGT) среди животных, с примерно 8% генов бактериального происхождения. Ранее считалось, что тихоходки побили этот рекорд с 17,5% HGT, однако это оказалось артефактом, вызванным бактериальным загрязнением. Исследование показало, что геномы 40 животных (включая 10 приматов, четырех червей *Caenorhabditis* и 12 насекомых *Drosophila*) содержат гены, которые, по мнению исследователей, были перенесены от бактерий и грибов посредством горизонтального переноса генов. Исследователи оценили, что для некоторых нематод и насекомых *Drosophila* эти гены были приобретены относительно недавно. Механизм, опосредованный бактериофагами, обеспечивает передачу генов между прокариотами и эукариотами. Сигналы ядерной локализации в терминальных белках бактериофагов (ТП) инициируют репликацию ДНК и ковалентно связываются с вирусным геномом. Учитывая роль вирусов и бактериофагов в HGT у бактерий, можно предположить, что геномы, содержащие ТП, могут служить переносчиками генетической информации между царствами на протяжении всей эволюции.

Эндосимбионт насекомых и нематод

Жук-боб-адзуки приобрел генетический материал от своего (не дающего пользы) эндосимбионта Wolbachia. Недавно были опубликованы новые примеры, показывающие, что бактерии Wolbachia являются важным потенциальным источником генетического материала для членистоногих и филяриальных нематод. Псиллид Pachypsylla venusta приобрел гены от своего текущего эндосимбионта Carsonella, а также от многих своих прошлых эндосимбионтов.

Растение к растению

Striga hermonthica, паразитический эудикот, приобрел ген из сорго (Sorghum bicolor) в свой ядерный геном. Функция этого гена неизвестна. Ген, позволивший папоротникам выживать в темных лесах, происходит от роголистника, который растет коврами по берегам ручьев или на деревьях. Ген неохрома появился около 180 миллионов лет назад.

Растения животным

Восточный изумрудный морской слизняк Elysia chlorotica, согласно анализу флуоресцентной гибридизации in situ (FISH), предположительно содержит гены, поддерживающие фотосинтез, приобретенные из водорослей (Vaucheria litorea) с пищей. В настоящее время считается, что горизонтальный перенос генов (LGT) у Sacoglossa является артефактом, и при секвенировании генома Elysia chlorotica следов LGT обнаружено не было. Белокрылка Bemisia tabaci приобрела ген детоксикации растений, нейтрализующий растительные токсины.

Растение - гриб

Перенос генов между растениями и грибами предполагался в ряде случаев, в том числе у риса (Oryza sativa). Доказательства переноса генов от растений были обнаружены у гриба Colletotrichum. Гены экспансинов растений были переданы грибам, что способствовало их заражению растений.

Растение - бактерия

Гены экспансинов растений были перенесены в бактерии, что облегчило их проникновение в растения. Растения, грибы и микроорганизмы способны синтезировать каротиноиды, однако торулен, производимый гороховой тлей, – единственный известный каротиноид, синтезируемый организмом из царства животных.

Грибки к грибам

Токсин α-аманитин содержится в многочисленных, на первый взгляд не связанных между собой родах грибов, таких как Amanita, Lepiota и Galerina. Два биосинтетических гена, участвующих в производстве α-аманитина, – P450 29 и FMO1. Филогенетические и генетические анализы этих генов убедительно свидетельствуют о том, что они были переданы между родами посредством горизонтального переноса генов.

Животные животным

Рыба-мельница получила ген антифризного белка (AFP) от сельди посредством прямой горизонтальной передачи.

От животных к бактериям

Поразительно напоминающая рыбную медно-цинковая супероксидная дисмутаза Photobacterium leiognathi наиболее правдоподобно объясняется переносом гена от предка её рыбы-хозяина.

Человек - протозой

Патоген малярии Plasmodium vivax приобрел генетический материал от человека, который может способствовать его длительному пребыванию в организме.

Геном человека

Одно исследование выявило около 100 из примерно 20 000 генов человека, которые, вероятно, возникли в результате горизонтального переноса генов, однако это число было поставлено под сомнение рядом исследователей, утверждающих, что эти предполагаемые гены, полученные посредством горизонтального переноса, с большей вероятностью являются результатом потери генов в сочетании с различиями в темпах эволюции.

Соединения, способствующие горизонтальной передаче генов

В ходе исследований растущей проблемы устойчивости к антибиотикам было обнаружено, что определенные соединения стимулируют горизонтальный перенос генов. Известно, что антибиотики, применяемые к бактериям в нелетальных дозах, способствуют развитию устойчивости к антибиотикам. SB был разработан как синтетический агент переноса генов, основанный на известных способностях транспозонов Tc1/mariner к внедрению в геномы видов с огромным разнообразием. Система SB использовалась для введения генетических последовательностей в геномы широкого спектра животных.

В эволюции

Горизонтальная передача генов является потенциальным искажающим фактором при построении филогенетических деревьев на основе последовательности одного гена. Например, если две отдалённо родственные бактерии обменялись геном, филогенетическое дерево, включающее эти виды, покажет их близкое родство, поскольку этот ген идентичен, хотя большинство других генов различаются. По этой причине часто предпочтительнее использовать другую информацию для вывода надёжных филогений, такую как наличие или отсутствие генов, или, что более распространено, включать максимально широкий спектр генов для филогенетического анализа. Например, наиболее часто используемым геном для установления филогенетических связей у прокариот является ген 16S рибосомной РНК, поскольку его последовательности, как правило, консервативны у представителей с близким филогенетическим расстоянием, но достаточно вариабельны для измерения различий. Однако в последние годы также высказываются предположения о том, что гены 16S рРНК также могут подвергаться горизонтальному переносу. Хотя это может быть нечасто, обоснованность филогенетических деревьев, построенных на основе 16S рРНК, требует переоценки. Биолог Иоганн Петер Гогартен утверждает, что "исходная метафора дерева больше не соответствует данным современных геномных исследований", и поэтому "биологам следует использовать метафору мозаики для описания различных историй, объединённых в отдельных геномах, и метафору сети для визуализации богатого обмена и кооперативных эффектов горизонтального переноса генов среди микробов".

Вызов дереву жизни

Горизонтальная передача генов представляет собой потенциальную проблему для концепции последнего универсального общего предка (LUCA) у основания дерева жизни, впервые сформулированной Карлом Вуазом, что привело его к предложению Археи как третьей домена жизни. Именно при изучении нового взгляда на жизнь, основанного на трех доменах, горизонтальная передача генов стала рассматриваться как усложняющий фактор: *Archaeoglobus fulgidus* рассматривался как аномалия в отношении филогенетического дерева, построенного на основе кодирования фермента HMGCoA-редуктазы – данный организм является безусловно архейцем, со всеми клеточными липидами и аппаратом транскрипции, характерными для архей, но гены HMGCoA которого имеют бактериальное происхождение. Однако, поскольку LUCA может быть идентифицирован, горизонтальные переносы должны были быть относительно ограниченными. Предполагается, что другие ранние ГГП также имели место. Первый общий предок (FUCA), самый ранний предок LUCA, имел других потомков, которые дали начало своим собственным линиям. Считается, что эти вымершие сестринские линии LUCA, произошедшие от FUCA, горизонтально передали часть своих генов в геном ранних потомков LUCA. Возможность использования ГГП для датировки филогенетических деревьев была недавно подтверждена.

Хромосомная организация горизонтальной передачи генов

Приобретение новых генов способно дезорганизовать другие генетические элементы и нарушать функционирование бактериальной клетки, тем самым снижая конкурентоспособность бактерий. Следовательно, бактериальная адаптация представляет собой компромисс между преимуществами приобретения полезных генов и необходимостью поддержания организации остального генома. Горизонтально переносимые гены обычно сосредоточены лишь в ~1% хромосомы (в областях, называемых горячими точками). Эта концентрация возрастает с увеличением размера генома и скорости передачи. Горячие точки характеризуются быстрым обновлением генов; их хромосомное распределение зависит от локального контекста (соседних основных генов) и содержания мобильных генетических элементов. Горячие точки аккумулируют большинство изменений в наборе генов, уменьшают компромисс между диверсификацией и организацией генома и должны являться богатым источником специфических адаптивных генов штаммов. Большинство мобильных генетических элементов и генов устойчивости к антибиотикам находятся в горячих точках, однако во многих горячих точках отсутствуют узнаваемые мобильные генетические элементы и наблюдается частая гомологичная рекомбинация во фланкирующих основных генах. Преобладание горячих точек с меньшим количеством мобильных генетических элементов у естественно трансформируемых бактерий указывает на тесную связь гомологичной рекомбинации и горизонтального переноса генов в процессе эволюции генома.