Чтение онлайн

В попытке определить, не отражают ли эти наблюдения редкое явление, характерное только для S-PM2 и индивидуального штамма синехококка, ученые исследовали вирусы порядка Myoviridae и Podoviridae, которые инфицируют близкородственный вид Prochlorococcus. В самом деле, все три фага прохлорококка, выбранные для секвенирования, имели общие гены, кодирующие бактериальные белки D1 и D2 комплекса ФСII, а также ген hli, кодирующий индуцируемый коротковолновым светом белок (Sullivan et al., 2006). В определенных штаммах ученые обнаружили дополнительные бактериальные фотосинтезирующие гены. В то время как все эти гены, несомненно, имели цианобактериальное происхождение, что подтверждается сходством их последовательностей, представляется, что эти гены происходят из разных, хотя и близкородственных видов цианобактерий. Примечательно, что ген hli во множестве копий присутствует в бактериальной хромосоме. Ученые полагают, что горизонтальный перенос гена в геном фага, а затем обратный перенос его из ДНК фага могли сыграть решающую роль в избыточности гена в локусе hli бактериальной хромосомы. Возникает картина переноса бактериальных фотосинтезирующих генов от фага в бактериальный геном и обратно. Очевидна выгода от способности фага кодировать эти дополнительные белки. С другой стороны, можно предположить, что такой обмен генами наглядно демонстрирует процесс генетической диверсификации бактерий, что создает преимущества уже для клетки-хозяина. Этот процесс обеспечивает резервуар генетического разнообразия, приобретенного микробной клеткой, что облегчает быструю адаптивную эволюцию. Такая вариабельность может оказаться выгодной в меняющейся окружающей среде, где постоянно возникают новые виды давления отбора. Приспособление к новым условиям является залогом успешности генома. Конечно, этот процесс не ограничивается генами, отвечающими за фотосинтез, и его можно представить себе и в приложении к генам, которые обеспечивают и другие метаболические функции и способны влиять на то, какие экологические ниши может занимать микроб-реципиент. Можно рассматривать фаги определенного хозяина как расширенный пул генов, потенциальный источник генов для инновационных генетических экспериментов. Представьте себе какой-либо ген, позаимствованный в ходе трансдукции и вступивший в пул генов фага, где этот ген будет подвергаться иному давлению отбора, нежели в исходной клетке-хозяине. Ген претерпит воздействие независимого естественного отбора, когда часть быстро реплицирующегося метагенома бактериофагов будет позднее приобретена тем же или другим микробом-хозяином. Ген сохранится, если докажет свое конкурентное преимущество.

О метагеноме фагов надо думать как о корпоративной программе развития, разработанной «отделом кадров» природы для воспитания генетических талантов. В корпоративной Америке талантливые работники в разное время работают в разных окружениях, в разных географических условиях и выполняют различные профессиональные обязанности, набираются разнообразного опыта и навыков, необходимых для успеха. Такие программы полезны для работника (гена) и приносят пользу компании (организму). Ценность разнообразия в команде признается всеми, и ее активно добиваются американские компании. Разнообразие стимулирует творчество и эффективное решение сложных проблем. Представляется, что такие же принципы работают на биологическом уровне, а носителями этих принципов являются вирусы. Конечно, в моем примере из корпоративного бизнеса сотрудников назначают на должности, последив за их работой, а коллективы (надо надеяться!) тщательно комплектуются отделами кадров и руководством. В природном мире такой предварительной селекции не существует. Мы должны полагать, что отбираются все гены, но остаются только те, которые улучшают функциональность принимающего генома. Это в высшей степени неэффективный процесс, но он может успешно работать в течение того времени, когда число проб адекватно низкой вероятности благоприятного исхода.

Умеренные фаги делают гены расширенного пула доступными для клетки-хозяина благодаря трансдукции фагов. Это особенно важно в условиях изменчивой и потенциально опасной окружающей среды. Зная об этом, ученые стараются наблюдать морские и океанические фаги непосредственно над гидротермальными источниками океанического дна, сравнивая эти фаги с вирусами, обитающими в поверхностных слоях морских вод (Williamson, Cary et al., 2008). Ученые обнаружили свободные частицы фагов над отверстиями горячих вод, там, где смешивается горячая и холодная вода. Исследователи пришли к выводу, что в меняющихся условиях профаги индуцируются с большей частотой, чем в окружающей воде со стабильной температурой. Более того, четверть ДНК-последовательностей в этих частицах принадлежала «темной материи» – эти последовательности начисто отсутствуют в базах данных. Виды бактерий и фагов в этих суровых глубоководных условиях должны быть, судя по всему, хранилищем новой адаптивной генетической информации, которая приводится в действие изменчивыми условиями окружающей среды.

Океанические экосистемы, о которых мы говорили выше, являются домом для миллионов микробов на один миллилитр воды и для в десять раз большего числа вирусов, но наш толстый кишечник еще более густонаселен экосистемой. В этой экосистеме обитают разнообразные и многочисленные микробы, которые в совокупности называют кишечным микробиомом. Один миллилитр человеческих каловых масс в среднем содержит 1013 микробных клеток. После выполнения необходимых расчетов несложно понять, что количество бактериальных клеток в нашем кишечнике, наш микробиом, равно или даже превышает численность клеток нашего собственного организма. В то время как в одном миллилитре морской воды в большинстве морских экосистем содержится в десять раз больше вирусов, чем бактерий, для нашего кишечника эта закономерность не соблюдается. В одном миллилитре каловых масс взрослого человека содержится от 100 миллионов до одного триллиона вирусов. Тем не менее догмат о том, что популяции фагов процветают там, где процветают бактерии, сохраняет свою силу и в кишечнике. Несмотря на относительную малочисленность свободных вирусных частиц в сравнении с численностью бактериальных клеток, умеренные фаги, включенные в результате лизогении в ДНК бактерий, обильно представлены в микробиоме и являются доминирующей формой существования вирусов, инфицирующих бактерии нашего кишечника (De Paepe et al., 2014).

Вирулентные фаги, осуществляющие литическую репликацию в бактериальных клетках, составляют большую часть вирусных частиц, содержащихся в пробах морской воды. Такие фаги наиболее приспособлены к пребыванию в относительно стабильных условиях окружающей среды при неограниченном доступе к крупным, относительно гомогенным популяциям здоровых и быстро размножающихся организмов-жертв. Такие условия существуют в большинстве океанических экосистем. Лизис бактерий и быстрая репликация вирусных частиц не является выигрышной стратегией в кишечнике, где популяции бактерий, обитающих в своем подавляющем большинстве в толстом кишечнике, находятся в состоянии жестокой конкуренции за ограниченные источники питания и часто оказываются недоступными для атаки частицами фага. Поэтому неудивительно, что в кишечнике преобладают умеренные фаги (De Paepe et al., 2014). Врожденная способность этих фагов улавливать физиологический статус своих клеток-хозяев и должным образом на него реагировать позволяет им выбирать не литический, а лизогенный способ существования. Такими их сделал естественный отбор и успех выбранной стратегии, которая и стала доминирующей в кишечнике. Генетические линии, обладающие этой особенностью, стали наиболее успешными в таком микробиоме. Фаги кишечника используют лизогению, потому что этот способ наилучшим образом позволяет сохранить и передать потомкам свой геном в данной капризной экосистеме. Взаимоотношения этой популяции вирусов, часть которых существует в литической форме, а часть пребывает в хромосомных локусах клеток бактерий-хозяев, определенно, оказывают сильное влияние на состав бактериальных популяций кишечника. Нарастающий объем знаний о микробиомах кишечника у здоровых и больных людей указывает на то, что в кишках здорового человека эти микробиомы существуют в состоянии неустойчивого равновесия.

В состав микробной популяции здорового кишечника входят различные классы симбионтов. Некоторые существуют в состоянии симбиотического мутуализма, когда каждый партнер пары получает выгоды от взаимодействия, а другие являются комменсалами, то есть находятся во взаимодействии, когда одна сторона получает выгоду, а другая не получает ощутимого вреда. Есть также микроорганизмы-патобионты, которые вначале могут быть как симбионтами, так и комменсалами, но становятся патогенными, когда нарушается баланс кишечной экосистемы. За последнее десятилетие стало ясно, что нарушение баланса в бактериальной популяции кишечника – феномен, известный под названием дисбактериоза, – часто сочетается с болезнью (Clemente et al., 2012; Kaser, Zeissig, Blumberg, 2010). Пока не вполне понятно, какова специфическая роль фагов в поддержании здорового микробиома или в развитии дисбактериоза, но совершенно очевидно, что, по аналогии с их воздействием на морские экосистемы, они могут сильно влиять на численность и состав кишечного микробиома. Эпидемические обострения и лизогения с конверсией фагов, а также высокая вероятность индукции фагов – все может играть важную роль. Лизогенные фаги могут влиять на бактериальный фенотип и эволюцию бактерий, в то время как индукция фагов (либо как стохастическое событие, либо как ответ на изменение окружающей среды, порождаемое бактериями с лизогенными вирусами) приводит к высвобождению инфекционных частиц и мобилизации генетического материала. Фаги могут также влиять на нашу иммунную систему, которая играет очень активную роль в защите этой нашей самой протяженной «государственной границы». Фаги препятствуют проникновению в кишечник потенциально опасных бактерий, уничтожая их в его просвете (Barr, Youle, Rohwer, 2013). Влияние фагов микробиома не ограничивается их хозяевами, но распространяется также и на хозяина их хозяев.

Мы видели, что динамика отношений хозяин – фаг в морских экосистемах подчиняется поведению вирулентных фагов, которые ведут себя так, как предусматривает модель отношений хищник – жертва. Эта стратегия в случае фагов и бактерий называется «убить победителя». В такой экосистеме фаги реплицируются литически в здоровых популяциях бактерий до тех пор, пока не происходит истощение популяций, которые теряют способность поддерживать цепь передачи фагов из клетки в клетку. Эпидемия утихает и прекращается. На месте старых микробов начинают размножаться другие, которые, в свою очередь, тоже подвергаются атаке литических фагов. Такие циклы размножения и подавления поддерживают равновесие в микробных экосистемах. Относительная малочисленность свободных частиц фагов в кишечнике в сравнении с числом бактерий говорит о том, что стратегия «убить победителя» здесь неэффективна (во всяком случае, она не является доминирующей модальностью инфицирования бактерий фагами). Нижние отделы толстого кишечника плотно заселены, что создает дефицит питательных веществ для бактерий; бактериальные колонии размножаются медленно и распределены по разным экологическим нишам, которые не всегда доступны для инфицирующих частиц. Бактерии могут быть даже защищены от инфицирования фагами близким соседством кишечной стенки и других структур кишечника или микроскопической пленкой, непроницаемой для фагов. Таким образом, в кишечнике правит бал лизогения, и преобладают умеренные лизогенные фаги.

Определенно, фагам кишечной экосистемы выгодно существовать в хромосомах своих хозяев в виде профагов. Бактерии, постоянно обитающие в кишечнике, располагают различными механизмами прикрепления к кишечной стенке, что предотвращает их удаление с калом. Получается, что это выгодно и профагам. Но что можно сказать об их лизогене? Наблюдение за бактериальными геномами и выявление последовательностей оснований, характерных для профагов, приобретаемых в результате горизонтального переноса, говорят о том, что если активность профага не дает никаких селективных преимуществ хозяину, то естественный отбор способствует инактивации профагов (Ochman, Lawrence, Groisman, 2000; Lawrence, Ochman, 1998; Nicholson et al., 2012). Так как крупные популяции лизогенов в микробиомах кишечника имеют профаги в своих геномах, разумно было бы предположить, что бактерии получают какие-то преимущества от присутствия в их геноме профагов. Должно быть, это преимущество перевешивает опасность «ядовитой пилюли», связанную с возможной индукцией фага и смертью клетки-хозяина. Профаги могут быть источником геномного обновления и стимуляции бактериальной эволюции: конверсия фага часто позволяет обеспечивать полезные метаболические функции, которые делают бактерию более конкурентоспособной в ее экологической нише. Лизогения приводит к включению в бактериальную хромосому новой генетической информации путем горизонтального генного переноса, а успешные линии фагов часто переносят гены, обладающие полезными для клетки-хозяина свойствами. Другие фаги отвечают за генерализованную трансдукцию, при которой фрагменты бактериальной хромосомной ДНК включаются в геном фага. Следующий хозяин, становящийся лизогеном под действием такого модифицированного фага, получит не только генетическую информацию фага, но и информацию другой бактерии – возможно, другого вида и с новыми метаболическими возможностями. Профаги, которые могут составлять значительную часть идентичности данного вида бактерий (то есть ее уникальность и отличие от родственных штаммов), являются, несомненно, мощными катализаторами приспособительной эволюции и могут стать опорными пунктами генома, служащими посадочной площадкой для новой генетической информации.

Лизогения также обеспечивает клетку-хозяина и все ее дочерние клетки, имеющие тот же генетический материал, иммунитетом против инфицирования (и потенциального лизиса) близкородственными штаммами фагов. Бактерии разных генетических линий – не важно, представители они разных видов или сестринские, не являющиеся лизогенами, – не обладают таким иммунитетом. Такие бактерии могут быть непосредственными конкурентами в борьбе за одну и ту же экологическую нишу в кишечнике. В этой ситуации спонтанная индукция фагов в лизогенной популяции может вызвать эпидемию в штамме не имеющей иммунитета бактерии (De Paepe et al., 2014). Здесь фаг действует как эффективное биологическое оружие, поражающее микробы, соперничающие за обладание одной экологической нишей. Лизогенная популяция имеет в этой ситуации несомненное преимущество. «Смерть от индукции» одной бактерии может быть благом для популяции как целого и обусловить успех репликации ее уникального генетического материала.

Носоглотка человека – это еще одна экологическая ниша, где сосуществуют и борются за преобладание бактерии-комменсалы. Обычно носоглотку колонизируют такие бактерии, как Streptococcus pneumoniae и Staphylococcus aureus, при этом носоглотка может служить источником передачи этих бактерий в другие анатомические структуры или другим людям. Много лет назад было установлено, что стрептококки пневмонии и золотистые стафилококки конкурируют за носоглотку. Эпидемиологи, бравшие мазки из зева здоровых детей, обнаруживали, что если высевался стрептококк пневмонии, то снижались шансы высеять золотистый стафилококк. С другой стороны, золотистый стафилококк часто обнаруживается у детей, у которых в носоглотке мало стрептококка пневмонии (Regev-Yochai et al., 2004; Bogaert et al., 2004). Вскоре было показано, что стрептококк пневмонии использует химическое оружие, для того чтобы победить конкурента (Park, Nizet, Liu, 2008; Regev-Yochai, Trzcinski, Thompson, 2006). Стрептококк высвобождает в среду химическое соединение – перекись водорода, хорошо известное дезинфицирующее вещество. Оставалось загадкой, почему данный уровень перекиси водорода не приносит вреда самому стрептококку, но убивает конкурирующих с ним стафилококков. Однако в 2009 году ученым из Нью-Йоркского и одного испанского университета удалось найти ответ на этот таинственный вопрос (Selva et al., 2009). Перекись водорода и опасные продукты ее реакций вызывают повреждение ДНК и порождают стрессовый SOS-ответ бактериальной клетки (этот ответ мы обсуждали выше в данной главе). Стрептококк пневмонии выработал механизмы, позволяющие выдерживать воздействие данной концентрации перекиси водорода, и, несмотря на повреждение ДНК, SOS-реакция у стрептококка не запускается. Напротив, у стафилококков, подвергшихся воздействию перекиси водорода, происходит повреждение ДНК и запускается SOS-реакция. Следствием является активация механизмов репарации ДНК. Эти изменения улавливаются резидентными профагами стафилококков, которые запрограммированы на индукцию и вступают в литический репликативный цикл. В результате происходит лизис стафилококковых клеток вследствие индукции профагов, что, в свою очередь, приводит к гибели стафилококков, прекращению конкурентной борьбы со стрептококками и победе последних (Selva et al., 2009).

Известно, что стафилококки содержат множество индуцибельных профагов, и индукция этих профагов является ядовитой пилюлей не только для индивидуальной клетки, но и для всей популяции. Эти выводы были подтверждены изящными экспериментами Сельвы и его коллег. С помощью генетических манипуляций они создали нелизогенные штаммы золотистого стафилококка, в хромосомах которых не было профагов, готовых к индукции по сигналу стресса. Эти бактериальные клетки оказались устойчивыми к перекиси водорода в концентрациях, которые убивали лизогенные штаммы, а значит, они были устойчивы и к химическому оружию стрептококков пневмонии. Конечно, в природе у подавляющего большинства золотистых стафилококков в хромосомах есть профаги, которые дают своим хозяевам какие-то конкурентные преимущества в отношении тех же стрептококков пневмонии. Такой удаленный контроль индукции профагов может быть широко распространенным феноменом, определяющим состав сложных бактериальных сообществ, которые сосуществуют с многоклеточными организмами и обитают в окружающей среде.