Способность живой материи адаптироваться к окружающей среде — это база эволюционной теории. Однако существует группа организмов, для которых термин «адаптация» кажется слишком слабым. Грибы порядка Mucorales (мукоровые) не просто приспосабливаются к условиям, а способны полностью переписывать свою биологическую программу, переключаясь между двумя принципиально различными формами жизни.
Этот процесс называется диморфизмом. В зависимости от внешних факторов, таких как наличие кислорода, гриб Mucor lusitanicus существует либо в виде одноклеточных дрожжей, либо в виде многоклеточного ветвящегося мицелия (плесени). Это не стадии взросления, как у насекомых, а два равноправных и стабильных состояния.
Долгое время было непонятно, как механизм этого переключения работает. Было неясно, как один геном может кодировать две взаимоисключающие физиологии без внутренних конфликтов. Исследование, опубликованное в Nature Communications, раскрывает генетическую архитектуру этого явления. Ученые доказали, что геном мукоровых грибов эволюционировал по пути создания дублирующих, но специализированных систем управления.
Тотальная перестройка системы
Переход от дрожжевой формы к мицелиальной требует радикальной смены клеточных процессов. Дрожжи живут в анаэробных условиях (без кислорода), используют ферментацию и размножаются почкованием. Мицелий требует кислорода, использует окислительное фосфорилирование и строит сложные многоклеточные структуры.
Исследователи из Университета Мурсии и Университета Дьюка провели транскриптомный анализ — изучили совокупность всех активных генов в разные моменты жизни гриба. Результаты показали масштаб изменений: при смене формы жизни изменяется активность 70% всего генома.
Для биологии это огромная цифра. Обычно дифференциация клеток в многоклеточном организме (например, отличие клетки кожи от клетки мышцы) затрагивает меньшую часть генома. В данном случае гриб фактически запускает другую систему. Это ставит перед нами вопрос: как организована эта система?
Стратегия специализированных дублей (паралоги)
Ответ кроется в эволюции генных семейств. В процессе исторического развития гены часто удваиваются. Обычно лишняя копия либо деградирует, либо приобретает какую-то новую функцию. Однако у Mucor lusitanicus эволюция пошла по третьему пути: сохранение копий для специализации под конкретную среду.
Такие копии называются паралогами. Ученые обнаружили сотни семейств генов, которые дублированы специально для диморфизма.
Суть механизма простая:
- Дрожжевые паралоги: гены, кодирующие белки, структура которых оптимизирована для работы в жидкой среде и в отсутствие кислорода.
- Мицелиальные паралоги: гены, выполняющие ту же функцию, но чьи белковые продукты работают эффективно только в присутствии кислорода и при формировании гиф (нитей грибницы).
Наиболее показательный пример — система поглощения железа (HAIUS). Железо критически важно для выживания, но его химическая доступность радикально отличается в аэробных и анаэробных условиях. Гриб не пытается использовать универсальный инструмент. Вместо этого он активирует специфический ген ферроксидазы fet3a и пермеазы ftr1a, когда находится в форме дрожжей. Как только появляется кислород, эти гены отключаются, и в работу вступает пара паралогов fet3b и ftr1b, заточенная под мицелиальную форму.
Инженерное решение: структура «голова к голове»
Наличие двух наборов инструментов создает логистическую проблему: как гарантировать, что нужные гены включатся одновременно, а ненужные будут выключены? Ошибка синхронизации может стоить организму жизни.
Исследование выявило, что Mucor lusitanicus использует специфическую геномную архитектуру для решения этой задачи. Гены, которые должны работать вместе (например, упомянутые выше компоненты системы захвата железа), физически расположены в хромосоме рядом друг с другом, но на разных цепях ДНК и в ориентации голова к голове (H2H).
Между этими генами находится общая регуляторная область — двунаправленный промотор. Это работает как единый выключатель. Сигнал о смене условий среды воздействует на этот промотор, и он одновременно запускает считывание информации сразу с двух генов в противоположных направлениях.
Анализ показал, что такая организация не случайна:
- Существуют отдельные H2H-кластеры для дрожжевой фазы.
- Существуют отдельные H2H-кластеры для мицелиальной фазы.
Это обеспечивает жесткую координацию. Грибу не нужно собирать белковые комплексы из разных частей клетки — они синтезируются пакетом именно тогда, когда это необходимо.
Управляющий контур: открытие генов dkl и dfl
Описанная система исполнительных механизмов требует высшего уровня контроля. Кто отдает приказ переключить рубильник?
Используя методы ДНК-аффинной хроматографии, авторы работы выделили белки, которые связываются с промоторами диморфных генов. Это привело к открытию двух ранее неизвестных регуляторов:
- Ген dkl (dimorphism kinase-like): кодирует белок с киназным доменом. Киназы обычно отвечают за передачу сигналов внутри клетки путем фосфорилирования других белков.
- Ген dfl (dimorphism f-box like): кодирует белок, содержащий F-box домен, который, как правило, участвует в маркировке белков для их последующего разрушения или модификации.
Функциональная значимость этих генов была доказана методом их удаления. Мутанты, лишенные гена dkl, полностью утратили способность переходить в дрожжевую форму даже в идеальных для этого условиях. Мутанты без гена dfl демонстрировали хаотичное развитие, снижение скорости роста и нарушения споруляции.
Это открытие доказывает, что диморфизм — это не просто пассивная реакция на кислород, а активный процесс, управляемый сложной сигнальной сетью, где гены dkl и dfl играют роль главных координаторов.
Эволюционный контекст и медицинское значение
Сравнительный геномный анализ позволил взглянуть на историю этого явления. Ученые сопоставили геном Mucor lusitanicus с геномами близкородственных грибов рода Rhizopus, которые не обладают диморфизмом и живут только в виде мицелия.
Оказалось, что недиморфные виды в процессе эволюции утратили дрожжевые копии генов и соответствующие регуляторные H2H-структуры. Они сохранили только мицелиальный набор. Это подтверждает гипотезу о том, что поддержание двойного набора генов требует эволюционного давления. Если среда позволяет жить только в одной форме, лишние гены исчезают.
Почему это важно? Грибы порядка Mucorales являются возбудителями мукормикоза — опасной инфекции, поражающей людей с ослабленным иммунитетом. Способность к диморфизму считается одним из ключевых факторов вирулентности (болезнетворности). Попадая в ткани человека, гриб меняет форму, что затрудняет его распознавание иммунной системой и распространение по организму.
Выявление уникальных механизмов управления диморфизмом открывает новые перспективы в медицине. Гены dkl и dfl, а также специфические пары паралогов, отсутствуют у человека. Это делает их идеальными мишенями для таргетной терапии. Препарат, блокирующий работу этих генетических переключателей, лишит гриб способности к трансформации, заперев его в одной форме и сделав уязвимым для иммунитета или традиционных антимикотиков.
Заключение
Принято считать, что природа стремится к минимализму, избавляясь от избыточности. Однако в данном случае мы видим обратное: эволюция намеренно сохраняет и поддерживает огромный массив дублирующей генетической информации.
Это сложный инженерный резерв. Интеграция сотен специализированных паралогов, организованных в эффективные H2H-кластеры и управляемых специализированными контроллерами, позволяет организму существовать в двух параллельных реальностях. Гриб не выбирает, кем быть — он хранит в себе потенциал обеих форм жизни, активируя нужную программу по мере необходимости.
Источник: Nature Communications
Автор: by MrClementi, CC BY-SA 2.0
Источник: www.flickr.com