Разжиться чужим. Ученые выяснили, у кого есть ген защиты от токсинов

Раньше считалось, что на захват чужеродных генов, или горизонтальный перенос, способны только микроорганизмы. Теперь все больше данных указывает на то, что этот механизм распространен гораздо шире и, вероятно, сыграл ключевую роль в эволюции.

Паразит крадет у жертвы

Табачная белокрылка паразитирует на шести сотнях диких и культурных растений. Это микроскопическое существо доставляет немало хлопот аграриям всего мира. Ее личинки высасывают соки и заражают патогенными вирусами. Для защиты от вредителя растения синтезируют в листьях токсичные фенолгликозиды. Однако белокрылку это не останавливает. Устойчивое к пестицидам насекомое оккупировало все континенты, кроме Антарктиды, серьезно сокращая урожай.

Недавно ученые из Китая и Европы приоткрыли тайну такой живучести. В ДНК трех видов белокрылки выявили ген BtPMaT1, кодирующий антидот против фенолгликозидов. На первый взгляд, все логично: насекомое, которое кормится на растениях, защищается от их токсинов. Проблема, однако, в том, что ген BtPMaT1 ранее находили только у представителей флоры.

Версию о том, что табачные белокрылки сами изобрели ген BtPMaT1, сочли маловероятной. Пока единственное объяснение — вредители захватили у жертв участок генома и встроили себе. Это первый доказанный случай горизонтального переноса генов между насекомыми и растениями. Все три вида табачных белокрылок, вероятно, приобрели ген-антидот примерно 86 миллионов лет назад, уже отделившись от общего с другими членами семейства предка.

Ученые вывели табачных белокрылок с выключенным геном BtPMaT1 и кормили их фенолгликозидами, выделенными из томатов. Все особи погибли. Значит, захваченный ген действительно работает. Этот эксперимент открывает путь к созданию более эффективных пестицидов.

Растение синтезирует токсичные фенилгликозиды для борьбы с вредителями, а также противоядие от него. В ходе эволюции табачная белокрылка позаимствовала растительный ген-антидот BtPMaT1 и встроила его себе в ДНК. Это позволило ей широко распространиться по миру и паразитировать на более чем 600 видах растений

Xia, J. et al. Cell (2021)

Чужие гены

Геном микроорганизмов, словно губка, впитывает в себя фрагменты ДНК из окружающей среды. Захваченный ген встраивается в цепочку нуклеотидов и, если оказывается полезным, надолго сохраняет это место. Ненужные фрагменты со временем удаляются или выключаются. Простым безъядерным организмам это помогает приобретать новые свойства, приспосабливаться к меняющимся условиям среды, другим источникам питания. Это гораздо быстрее, чем следовать эволюционным путем.

Горизонтальный перенос генов противопоставляют вертикальному — когда генетическая информация передается от родителей к потомству между особями одного вида, реже — разных видов. Это свойственно организмам с развитой клеткой — эукариотам. Генетическое разнообразие достигается у них посредством естественного отбора и мутаций в геноме.

Считалось, что многоклеточные организмы не могут захватить и встроить в ДНК чужеродный ген. Однако выяснилось, что это не так. Один из самых известных примеров — бактерия вольбахия, которая паразитирует на почти половине видов насекомых и дарит им свои гены. Около трети генома жука-зерновки — от вольбахии. Впрочем, большая часть его неактивна из-за мутаций. Известны случаи переноса гена от одного насекомого к другому с помощью вируса. На горизонтальный перенос способны также грибы.

Что касается млекопитающих, тут таких данных нет. Люди постоянно вводят в организм разнообразную ДНК — когда едят помидоры, капусту, мясо, рыбу. Все это просто переваривается в желудочно-кишечном тракте, проходя множество химических превращений. Гены из пищи и окружающей среды не попадают в геном. Исключение — некоторые вирусы, например ретровирусы. Их фрагменты встроились в геном наших предков порядка 25 миллионов лет назад. Большинство — "мусорные", функционируют немногие.

Недавно специалисты по биоинформатике из Великобритании обнаружили в ДНК приматов 145 встроенных фрагментов от низших организмов. Авторы работы отмечают, что чужеродные гены участвуют в белковом и липидном метаболизме, имеют отношение к антиоксидантной активности и врожденному иммунитету. Доноры — бактерии и протисты (инфузории, амебы). Каким образом и когда эти гены позаимствовали, неизвестно.

Ученые только начинают осознавать масштабы горизонтального переноса генов. По одной из гипотез, без этого были бы невозможны быстрая эволюция, адаптация к меняющимся условиям ранней Земли, возникновение всего за четыре миллиарда лет многоклеточных организмов и в итоге — человека.