Сырная Плесень Сформировалась За Счет Множественных Горизонтальных Переносов Полезных Генов

[djafarchik]

Французские ученые, изучив десять видов плесени, используемой для приготовлении сыров, в частности камамбера и рокфора, пришли к заключению, что некоторые свои свойства эти плесени получили за счет горизонтальных переносов от неродственных видов. У сырных плесеней выявлены участки с высокой степенью сходства, и эти участки часто ограничены с обеих сторон специфическими элементами, облегчающими вставку генетических фрагментов. Для этих фрагментов определили генетический состав, и функций некоторых генов оказались известны: эти гены обеспечивают ускоренную переработку лактозы и подавление роста конкурентов. Как показали эксперименты, оба свойства дают выигрыш только на сырном субстрате. Случаи горизонтального переноса у эукариот редки и потому требуют особого внимания.

История сыроделия насчитывает не менее 8 тысяч лет (M. Salque et al., 2013. Earliest evidence for cheese making in the sixth millennium BC in northern Europe). За это время не только отрабатывались технологии изготовления сыров, но и отбирались особые штаммы микроорганизмов и грибов. Микроорганизмы, в частности молочнокислые и пропионовокислые бактерии, сбраживают молоко, обеспечивая закваску сырной массы. Грибной компонент участвует во второй стадии приготовления сыра, когда сыр должен вызреть. Разнообразие грибов, поселяющихся на поверхности сыров и внутри них, придает сырам специфический вкус, аромат и консистенцию. Именно они создают изумительное изобилие сыров, столь почитаемое среди гурманов.

У микробиологов, помимо гастрономического, есть и научный интерес к сырам: они изучают процесс доместикации (одомашнивания) сырных грибов. Ведь некоторые из видов таких грибов не встречаются нигде, кроме сырного субстрата. Это означает, что их происхождение связано с человеческой деятельностью, с сыроварением. Иными словами, новые виды сырных грибов созданы за счет искусственного отбора. К таким «одомашненным» плесеням относится, например, Penicillium camemberti, которая используется в производстве, очевидно, камамберов. Как было показано, P. camemberti берет начало от серо-голубой плесени Penicillium biforme, формы, близкой к P. fuscoglaucum; расхождение линий датируется по микросателлитам примерно концом XIX века. А вот P. roqueforti, многочисленные штаммы которой создают неповторимый вкус рокфора, встречается, кстати, не только в сырах, но и в дикой природе — на гниющей древесине и в силосных массах.

Французские микробиологи под руководством Татьяны Жиро (Tatiana Giraud) из лаборатории экологии, систематики и эволюции Университета Париж-юг XI при Национальном центре научных исследований Франции посвятили свою работу эволюции сырных плесеней. Они использовали данные по геномам десяти видов плесеней — как прочтенных в лаборатории, так и представленных в современных генных банках. В прошлом году той же группой специалистов была опубликована статья Multiple recent horizontal transfers of a large genomic region in cheese making fungi с доказательством сравнительно недавнего горизонтального переноса большого участка генома у P. roqueforti. Этот участок, названный Wallaby, оказался на 100% идентичным у разных видов сырных плесеней. Обнаружение горизонтального переноса у эукариот удивительно и неожиданно: принято считать, что это явление характерно для прокариотических организмов, а для эукариот это, скорее, экзотика.

Ученые задались вопросом: насколько для сырных плесеней уникален Wallaby со своим «горизонтальным» происхождением? не найдется ли еще таких же привнесенных фрагментов? Они построили филогенетическое дерево для десяти видов, выделив с помощью статистических процедур участки геномов, которые не согласуются с полученной филогенетической схемой (рис. 1). Нужно было выявить такие гены, которые имеются во многих штаммах и имеют высокое сходство и, таким образом, «мешают» построить хорошее филогенетическое дерево. По этому признаку выделились 104 гена в 7 хромосомных фрагментах — это кандидаты на горизонтальный перенос. Сходство таких фрагментов, выходящих за рамки филогенетической схемы, в разных линиях было очень высоким — не менее 97%. Самое большое число событий переноса пришлось на линию P. camemberti и P. biforme, немного меньше — на линию P. roqueforti. Фрагмент Wallaby и еще один, CheesyTer, присутствовали во всех исследованных сырных плесенях. Правда, таким способом невозможно определить изначальный источник этих генетических фрагментов.

Рис. 1. Филогенетическое дерево десяти видов плесневых грибов Penicillium

Рис. 1. Филогенетическое дерево десяти видов плесневых грибов Penicillium — в частности, растущих на сырах. Звездочками обозначены штаммы, взятые непосредственно из сыров. Penicillium rubens — это один из вариантов Penicillium chrysogenum, который используется для промышленного получения пенициллина, а также в производстве мясных пищевых продуктов. Penicillium digitatum — паразит цитрусовых и на сыре не растет. Толщина линий обозначает интенсивность горизонтального переноса: чем линия шире, тем чаще в данной линии происходили события переноса. Интенсивность оценили как число горизонтальных переносов, поделенное на число нуклеотидных замен в последовательности (последнее отражает время разделения филогенетических линий). Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

В принципе, найденные сходные фрагменты могли оказаться в геномах не из-за горизонтального переноса, а за счет гибридизации разных видов грибов. Это явление гораздо чаще встречается среди эукариот. Но ученые убедились, что в данном случае сыровары имеют дело именно с горизонтальным переносом генов. Во-первых, семь участков и особенно два самых крупных из них — упоминавшиеся Wallaby и CheesyTer — располагаются на разных, негомологичных, местах в хромосомах. Во-вторых, общее сходство между представителями разных линий с этими общими участками довольно низко, оно ниже того порогового значения, при котором возможно межвидовое скрещивание у грибов. В-третьих, по крайней мере у P. roqueforti, они ограничены с обоих концов специфичными транспозонными элементами (Transposable element), которые облегчают вставку участков ДНК в хромосомы. У P. roqueforti вставки Wallaby и CheesyTer имеются только в тех штаммах, которые растут на сырах, а у тех, которые встречаются вне стен сыроделен, этих вставок нет.

Итак, события горизонтального переноса у сырных плесеней — явление, как выясняется, вполне заурядное. На сыре растет целый комплекс микроорганизмов и грибов, каждый член этого консорциума с большими или меньшими трудностями добывает в свое пользование нужный ему генетический материал. А человек выбирает и пускает в рост уже готовый вариант «сырного» консорциума. И ему всё равно, каким способом плесень заполучила нужные свойства — наращиванием собственных мощностей или заимствованием у других. Фенотипическим свойством, по которому идет отбор, в данном случае является вкус сыра.

В связи со столь назойливым появлением Wallaby и CheesyTer в сырных плесенях возникают закономерные вопросы: зачем эти вставки плесеням? что за гены там расположены и какую функцию они выполняют? Фрагмент Wallaby включает 250 генов, а CheesyTer — 37. Некоторые из этих генов обеспечивают усиленную переработку лактозы, тем самым позволяя плесеням успешно конкурировать с другими бактериями и грибами за субстрат. Другие служат производству фунгицидов, то есть являются действенным оружием плесеней против других грибковых оккупантов. Нужно отметить, что столь сильное сходство целых фрагментов говорит не только об их недавнем приобретении, но и о высоком селективном давлении — о так называемом «селективном выметании» (Selective sweep). Значит, эти вставки действительно хорошо работают в данных специфических условиях, и пока что не случилось никаких изменений в их последовательностях, которые бы их улучшили.

Ученые экспериментально проверили, как срабатывает обретение плесенью фрагментов Wallaby и CheesyTer. В данном случае рокфорная плесень — очень удобный объект, так как среди разнообразных ее штаммов некоторые уже получили вставки, а другие нет. Ученые сравнивали скорость роста тех и других. Те, которые уже обзавелись вставками, росли быстрее (рис. 2).

Рис. 2. Конкуренция различных штаммов P. roqueforti на чашке Петри

Рис. 2. Конкуренция различных штаммов P. roqueforti на чашке Петри. Она оценивается по уровню асимметрии, отражающей скорость роста колоний в правой и левой половине чашки. Изучалась конкуренция штаммов со вставками Wallaby и CheesyTer (W+C+) и без них (W-C-). На рисунке показаны два примера такой конкуренции: слева два штамма со вставками демонстрируют почти симметричный рост, а справа видно, что штамм со вставками растет быстрее. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

При росте на бедных субстратах быстрее развивались штаммы без вставок, зато на сырном субстрате выигрывал штамм со вставками (рис. 3). Это означает, что в естественных условиях на изменчивой среде штамм, не имеющий вставок, может оказаться в более выгодном положении, а вот в сыроварнях преимущество будет явно на стороне штаммов со вставками.
Рис. 3. Рост штаммов P. roqueforti

Рис. 3. Рост штаммов P. roqueforti на чашке Петри с бедным субстратом (ММ, minimal media) и сырным субстратом (Cheese). На бедном субстрате штамм со вставками Wallaby и CheesyTer (W+C+) растет заметно хуже, чем без них, зато на сыре он чувствует себя явно лучше, чем аналог без вставок. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

Во всех случаях при росте на сыре более конкурентоспособными оказывались штаммы со вставками Wallaby и CheesyTer. Их присутствие подавляло рост других видов Penicillium (рис. 4). А если вставок не было, то у других видов появлялся шанс на завоевание пространства. На бедном субстрате в присутствии штаммов со вставками другие виды грибов росли даже лучше, чем в присутствии штаммов без вставок. Опять же, это говорит о том, что в естественных условиях при недостатке питательного субстрата штамм со вставками проиграет конкуренцию другим видам плесени; он побеждает, только оказавшись на сыре. Именно поэтому у рокфорной плесени штаммы со вставками найдены только на сырах.
Рис. 4. Рост P. biforme на двух типах посева P. roqueforti

Рис. 4. Рост P. biforme на двух типах посева P. roqueforti (фоновый посев) и на контроле (верхний ряд, без P. roqueforti). На сырном субстрате (Cheese) и на солодовом агаре (Malt agar) P. biforme растет лучше, если фоновый P. roqueforti без вставок, об этом можно судить по диаметру колоний P. biforme (светлые пятна по центру чашек Петри). На бедной среде (ММ) P. biforme лучше растет в присутствии P. roqueforti со вставками. Рисунок из обсуждаемой статьи в Current Biology

Таким образом, «приручение» сырной плесени связано с отбором штаммов, имеющих, в частности, конкретные генетические фрагменты. Эти фрагменты грибы получают за счет горизонтального переноса от других видов, растущих на сырах. Получив такой фрагмент, штамм начинает быстрее расти, вытесняет другие виды грибов и формирует новый бактериальный и грибной комплекс. Из-за обновления микробиомного комплекса сыр обретает свои специфические свойства — вкус, аромат, текстуру — и становится интересен потребителю. Искусственный отбор вступает в свои права.

Изучение эволюции сырной плесени важно не только с позиций сыродельной индустрии (хотя сейчас этот аспект работы может оказаться очень востребованным), но и как учебный пример по эволюции вообще. Во-первых, мы видим здесь нечастый случай горизонтального переноса между видами грибов. Это свойство грибов вообще или это свойство специфических условий обитания сырных пенициллумов? Или мы вообще мало знаем о горизонтальном переносе у эукариот? Во-вторых, на этом примере ясно показано действие селективного выметания. В-третьих, понятен механизм отбора (искусственный отбор), и при этом экспериментально доказано преимущество новообретенных участков генома. Такую четкую взаимосвязь нечасто удается проследить.