Чужая наследственность как своя: биологи раскрыли механизм генного пиратства у растений-паразитов

Аргентинские биологи из Национального университета Куйо под руководством Марии Вирджинии Санчес-Пуэрты обнаружили, что растение-паразит Lophophytum способно не просто получать случайные фрагменты ДНК от своих хозяев, а заменять собственные митохондриальные гены на полноценно работающие копии, украденные у других видов. Это явление горизонтального переноса генов, ранее хорошо изученное у бактерий, впервые показано у высших растений настолько масштабно и функционально. Результаты опубликованы в журнале Proceedings of the Royal Society B.

Генетика долгое время строилась на аксиоме: наследственная информация передается только по вертикали — от родителей к потомству. Однако микробиология давно доказала, что это правило не абсолютно: бактерии охотно обмениваются генами даже между неродственными линиями, что помогает им быстро приобретать устойчивость к антибиотикам или новые метаболические способности.

У многоклеточных организмов, особенно у животных и растений, такой горизонтальный обмен считался редкой случайностью, эволюционным курьезом, который почти никогда не приводит к практической пользе. Чужая ДНК обычно молчит, деградирует и быстро исчезает из генома, поскольку ее экспрессия требует точной настройки под регуляторные системы реципиента, а любые сбои в работе митохондрий, например, грозят энергетическим коллапсом клетки.

Именно поэтому открытие, сделанное группой Санчес-Пуэрты на голопаразитических растениях рода Lophophytum, стало настоящим шоком для эволюционных биологов. Эти растения полностью утратили фотосинтез и живут за счет хозяев, буквально врастая в их ткани. Ученые секвенировали полные митохондриальные геномы двух видов — Lophophytum mirabile и Lophophytum pyramidale, и сравнили их с ДНК растений-доноров.

Оказалось, что паразиты не просто содержат обширные вставки чужеродной митохондриальной ДНК, но и активно используют донорские гены вместо своих собственных. Причем эти гены оказались не мертвым грузом, а полноценно работающими копиями, которые транскрибируются, проходят сплайсинг и редактирование РНК, то есть проходят все стадии созревания, необходимые для производства функциональных белков.

Самое удивительное, что чужеродные гены работают, не полагаясь на ядерные регуляторные сигналы хозяина. Паразит каким-то образом сумел преодолеть главный барьер межвидовой несовместимости: его собственные клеточные машины распознают промоторы донорской ДНК, правильно вырезают интроны и вносят необходимые точечные замены в РНК.

Исследователи показали, что естественный отбор отфильтровывал только те перенесенные гены, которые имели нативные (не требующие новых регуляторных элементов) промоторы, лишены интронов или имели очень простую структуру, а также нуждались в минимальном редактировании. Именно такие «легкие» гены выживали и закреплялись, постепенно вытесняя не только отдельные аллели, но и целые семейства собственных митохондриальных генов паразита.

Авторы работы предполагают, что механизм такого переноса может быть связан с образованием кольцевых структур: фрагменты чужой митохондриальной ДНК, попав в клетку реципиента, замыкаются в кольца за счет коротких повторяющихся последовательностей по краям. Такие кольцевые хромосомы способны автономно реплицироваться независимо от основной геномной ДНК, и если они несут выгодные варианты генов, они закрепляются в популяции.

Эта гипотеза, получившая рабочее название «Circle-mediated HGT», сейчас станет предметом новых экспериментов. Пока же исследователи намерены выяснить, как именно чужеродная ДНК проникает в митохондрии паразита и каким образом происходит ее циклизация, а также проверить, насколько широко подобный механизм распространен среди других голопаразитических растений.

Итоговый результат работы свидетельствует о том, что горизонтальный обмен генами у растений может быть не случайным «шумом эволюции», а вполне эффективным инструментом адаптации, особенно для организмов, ведущих паразитический образ жизни. Lophophytum демонстрирует, что при определенных условиях чужой генетический материал не только приживается, но и заменяет собой наследственную информацию, доставшуюся от предков.

Это открытие меняет взгляд на устойчивость геномов высших растений и показывает, что границы между видами на уровне митохондриальной ДНК гораздо более проницаемы, чем считалось ранее. Понимание этих процессов в будущем может пролить свет на эволюцию паразитизма, а также на механизмы, позволяющие организмам перестраивать свою энергетическую машинерию буквально «с колес», используя готовые решения, выработанные совершенно другими видами.

Присоединяйтесь к нам в соцсетях