Любопытные фрагменты ДНК, спрятанные внутри геномов во всех царствах жизни, исторически игнорировались, поскольку они, по-видимому, не играют никакой роли в конкуренция за выживание. По крайней мере, так думали исследователи.
Эти фрагменты ДНК стали известны как «эгоистичные генетические элементы», поскольку они существуют, насколько могли судить ученые, просто для того, чтобы воспроизводить и размножать себя, без какой-либо выгоды для своих организмов-хозяев. Их считали генетическими попутчиками, которые несущественно передавались из поколения в поколение.
Исследования, проведенные учеными Калифорнийского университета в Сан-Диего, предоставили новые доказательства того, что такие элементы ДНК могут быть не такими уж эгоистичными. Вместо этого теперь они, по-видимому, вносят значительный вклад в динамику между конкурирующими организмами.
В публикации в журнале Science исследователи из Школы биологических наук изучали эгоистичные генетические элементы в бактериофагах (фагах), вирусах, которые считаются самыми распространенными организмами на Земле. К своему удивлению, исследователи обнаружили, что эгоистичные генетические элементы, известные как «мобильные интроны», дают своим вирусным хозяевам явное преимущество при конкуренции с другими вирусами: фаги используют мобильные интроны в качестве оружия, чтобы нарушить способность конкурирующих вирусов-фагов к размножению.
«Это первый раз, когда было продемонстрировано, что эгоистичный генетический элемент дает конкурентное преимущество организму-хозяину, в который он вторгся», — сказала соавтор исследования Эрика Биркхольц, научный сотрудник кафедры молекулярной биологии. «Понимание того, что эгоистичные генетические элементы не всегда являются чисто «эгоистичными», имеет широкие последствия для лучшего понимания эволюции геномов во всех царствах жизни».
Десятилетия назад биологи отметили существование эгоистичных генетических элементов, но не смогли охарактеризовать какую-либо роль, которую они играют в помощи организму-хозяину выживать и размножаться. В новом исследовании, которое было сосредоточено на изучении «гигантских» фагов , исследователи проанализировали динамику, когда два фага коинфицируют одну бактериальную клетку и конкурируют друг с другом.
Они внимательно изучили эндонуклеазу, фермент, который служит инструментом для разрезания ДНК. Исследования показали, что эндонуклеаза из мобильного интрона одного фага вмешивается в геном конкурирующего фага. Поэтому эндонуклеаза теперь рассматривается как боевое орудие, поскольку было задокументировано, что она разрезает важный ген в геноме конкурирующего фага. Это подрывает способность конкурента надлежащим образом собирать свое собственное потомство и размножаться.
«Эта военизированная интронная эндонуклеаза дает конкурентное преимущество фагу, несущему ее», — говорит Биркхольц.
Исследователи говорят, что это открытие особенно важно в эволюционной гонке вооружений между вирусами из-за постоянной конкуренции при коинфекции.
«Мы смогли четко очертить механизм, который дает преимущество, и как это происходит на молекулярном уровне», — сказал аспирант факультета биологических наук Чейз Морган, соавтор статьи. «Эта несовместимость между эгоистичными генетическими элементами становится молекулярной войной».
Результаты исследования важны, поскольку вирусы-фаги становятся терапевтическими инструментами в борьбе с бактериями, устойчивыми к антибиотикам. Поскольку врачи используют «коктейли» фагов для борьбы с инфекциями в этом растущем кризисе, новая информация, вероятно, вступит в игру, когда будут внедрены множественные фаги. Знание того, что определенные фаги используют эгоистичные генетические элементы в качестве оружия против других фагов, может помочь исследователям понять, почему определенные комбинации фагов могут не достичь своего полного терапевтического потенциала.
«Фаги в этом исследовании могут быть использованы для лечения пациентов с бактериальными инфекциями, связанными с муковисцидозом», — сказал профессор биологических наук Джо Польяно. «Понимание того, как они конкурируют друг с другом, позволит нам создавать лучшие коктейли для фаговой терапии».
