Вирусы-посредники: как фаги помогают бактериям «общаться» на генном уровне
Бактериофаги — вирусы, поражающие микроорганизмы — могут ускорять перенос генетического материала между бактериями, выяснили ученые из Сингапура в сотрудничестве с английскими коллегами. Статья опубликована 12 октября в научном журнале Science.
Ученые изучали золотистые стафилококки (Staphylococcus aureus), инфицированные бактериофагами. В отсутствие стресса фаговая ДНК, встроенная в бактериальный геном, «молчала» и не давала о себе знать. Однако при неблагоприятных условиях, как и ожидалось, вирусные гены активизировались, и запустилась сборка новых фаговых частиц.
По классическим представлениям, фаговая ДНК сначала вырезается из бактериального генома ферментом эксцизионазой (Xis) и лишь затем реплицируется (самокопируется) с образованием так называемого конкатемера, в котором множество ее копий соединено в одну ДНК-цепочку. Параллельно синтезируются белки, из которых собираются оболочки (капсиды) новых вирусов. Фермент терминаза отрезает от конкатемера копию за копией, упаковывая их строго по одной в готовые капсиды.
Однако в своих экспериментах ученые наблюдали иную последовательность процессов: ген Xis активировался только после начала репликации. Это означает, что фаговая ДНК вырезается не сама по себе, а вместе с определенной частью бактериального генома, и реплицируется уже весь этот вырезанный фрагмент. Упаковка реплицированных копий определяется вместимостью капсида, а также «выносливостью» (процессивностью) терминазы. Сначала упаковывается фаговая ДНК, а фрагмент бактериальной распределяется равными порциями по другим капсидам, пока терминаза не прекратит свою работу.
Дочерние фаги, содержащие фрагменты бактериальной ДНК, при повторном заражении встраивают эти фрагменты в геном других бактерий. Другими словами, эти вирусы опосредуют горизонтальный перенос генов от от одних микроорганизмов к другим.
Отметим, что похожие эксперименты с участием бактериофагов уже проводились ранее, однако не выявляли заметного участия этих вирусов в горизонтальном переносе генов между бактериями. Фрагменты бактериального генома обнаруживались лишь в одной из 106–107 дочерних фаговых частиц. По-видимому, это объясняется тем, что предыдущие исследования проводились в благоприятных условиях, при которых фаговая ДНК хотя и встраивается в бактериальный геном, но остается «молчащей».
Горизонтальный перенос генов — главная причина так называемой резистентности, то есть лекарственной устойчивости бактерий. В тех фрагментах генома, которыми обмениваются микроорганизмы, часто содержатся гены толерантности к антибиотикам. Быстрый обмен такими генами в бактериальных популяциях — главная причина того, что существующие антибиотики постепенно устаревают и им на смену приходится разрабатывать новые.
Исследования сингапурских ученых не дают усомниться в том, что лекарственная устойчивость у микроорганизмов формируется во многом благодаря бактериофагам. В самом деле, теперь стало ясно, что из бактериального генома могут вырезаться вместе с фаговой ДНК и упаковываться в новые вирусные частицы относительно крупные участки длиной до 40 тысяч нуклеотидных звеньев. Такие участки вполне могут содержать гены устойчивости к антибиотикам.
Это открытие означает, что при лечении инфекций нужно воздействовать не только на сами болезнетворные бактерии, но и на бактериофаги. Вполне возможно, что в обозримом будущем антибиотики будут применяться вместе с новыми препаратами, которые замедляют репликацию фаговых ДНК, но ускоряют их вырезание из бактериального генома. Такая комбинированная терапия наверняка поможет преодолеть извечную проблему лекарственной устойчивости микроорганизмов к антибиотикам.
