Кубанский государственный технологический университет

Прочтен самый маленький геном

01-03-2012
Листоблошки оказались обладателями удивительных симбионтов — бактерий с самым маленьким в мире геномом (фото с сайта hortipm.tamu.edu)

Бактерия Carsonella, внутриклеточный симбионт насекомых листоблошек, оказалась обладательницей самого маленького генома среди всех живых организмов, не считая вирусов. Ее геном содержит всего 159 662 пары оснований, что втрое меньше прежнего «рекорда» для самостоятельных организмов и сопоставимо с геномом клеточных органелл — митохондрий. Карсонелла сохранила лишь 182 гена, кодирующих белки. Значительная часть этих генов отвечает за синтез аминокислот, необходимых насекомому-хозяину.

Группа японских и американских исследователей сообщила в последнем номере журнала Science о прочтении самого маленького в мире генома. Рекордсменом по генетической деградации оказалась бактерия Carsonella, обитающая в клетках листоблошек (Psyllidae) — мелких, похожих на тлей насекомых, питающихся исключительно соком растений. Как и другие насекомые (например, тли и клопы), придерживающиеся этой более чем скромной диеты листоблошки обзавелись бактериальными помощниками, которые синтезируют для них необходимые вещества, отсутствующие в растительном соке, в первую очередь — аминокислоты. Или, возможно, правильнее будет сказать, что удачный симбиоз оказался решающим фактором, который позволил листоблошкам (и другим насекомым) перейти на питание чистым растительным соком. Карсонелла относится к группе гамма-протеобактерий, как и большинство других внутриклеточных симбионтов насекомых. По-видимому, предками всех этих симбионтов были кишечные бактерии (см. Клопы кормят свое потомство полезными бактериями, «Элементы», 13.10.2006).

Как и у других внутриклеточных симбионтов, у карсонеллы наблюдаются три характерных признака генетической деградации: 1) сокращение генома в результате потери почти всех некодирующих участков ДНК и значительной части генов, 2) резкое преобладание в ДНК нуклеотидов А и Т и, соответственно, низкое содержание Г и Ц, 3) быстрая молекулярная эволюция, то есть повышенный темп изменения ДНК в ряду поколений.

По первому и второму пункту карсонелла побила все прежние рекорды (см. рис.). Ее геном втрое меньше, чем у архебактерии Nanoarchaeum equitans, которая живет в гидротермальных источниках и паразитирует на другой архебактерии — Ignicoccus — и одной из разновидностей бактерии Buchnera, внутриклеточного симбионта тлей. У этих двух прокариот размер генома составляет 450–490 тысяч пар оснований (т.п.о.), и раньше именно они считались рекордсменами генетического упрощения. Карсонелла с ее 160 т.п.о. оставляет конкурентов далеко позади.

Размер генома и процентное содержание Г + Ц в 358 прочтенных геномах прокариот. Синие точки — внутриклеточные симбионты насекомых бактерии Buchnera, Blochmannia, Wigglesworthia и Baumannia (в некоторых случаях прочтены геномы нескольких штаммов одного и того же вида бактерии), желтые — другие бактерии, зеленые — археи. Справа внизу — бактериоцит листоблошки Pachypsylla venusta, наполненный бактериями Carsonella (извилистые структуры). Рис. из статьи в Science

Этот случай показывает, что геном внутриклеточных симбионтов может, по-видимому, упрощаться почти до полного исчезновения — как это произошло с митохондриями, которые тоже когда-то были симбиотическими бактериями. Митохондриальный геном по размеру сопоставим с геномом карсонеллы. Типичные размеры митохондриальных геномов: 40–100 т.п.о. у низших эукариот, 200–400 т.п.о у растений, 15–20 т.п.о. у животных.

Само собой разумеется, что карсонелла не может жить вне клеток хозяина и передается только вертикально — от матери к ее детям (как и митохондрии). Авторы отмечают, что сохранившихся у карсонеллы генов явно недостаточно для поддержания ее жизни даже с учетом того, что она может пользоваться всеми благами внутриклеточного существования. Очевидно, что специализированные хозяйские клетки — бактериоциты — вполне целенаправленно поддерживают жизнь симбионтов. Авторы даже допускают, что многие гены, утраченные предками карсонеллы, были перенесены в геном хозяина, где они продолжают функционировать, обеспечивая бактерию необходимыми веществами извне. Именно это произошло когда-то с генами предков митохондрий.

Источник: Atsushi Nakabachi, Atsushi Yamashita, Hidehiro Toh, Hajime Ishikawa, Helen E. Dunbar, Nancy A. Moran, Masahira Hattori. The 160-Kilobase Genome of the Bacterial Endosymbiont Carsonella // Science. 2006. V. 314. P. 267.

См. также: Клопы кормят свое потомство полезными бактериями, «Элементы», 13.10.2006.

Александр Марков

‹‹