Komplexität ist ein Hindernis für den horizontalen Gentransfer, zeigt eine neue Studie

Die Erkennung des als horizontaler (oder lateraler) Gentransfer (HGT/LGT) bekannten Phänomens revolutionierte unser Verständnis der Evolutionsmechanismen. Im Gegensatz zur herkömmlichen vertikalen Übertragung von Genen vom Elternteil auf die Nachkommen beinhaltet die HGT den seitlichen Austausch von genetischem Material über Artgrenzen hinweg.

Dieser Prozess trägt wesentlich zur mikrobiellen Evolution bei und macht 10–20 % der proteinkodierenden Gene in den meisten Bakteriengenomen aus, während HGT bei Eukaryoten weniger verbreitet ist. Durch HGT können Bakterien und Archaeen neue Eigenschaften erwerben, die von Antibiotikaresistenz bis hin zu Stoffwechselfähigkeiten reichen, was ihre Fähigkeit verbessert, sich an veränderte Umgebungen anzupassen.

In einer neuen Studie von Genombiologie und Evolution Mit dem Titel „Empirischer Beweis, dass Komplexität den horizontalen Gentransfer begrenzt“ untersuchten Forscher der University of North Carolina unter der Leitung von Christina Burch und Corbin Jones die Faktoren, die die Fähigkeit einzelner Gene beeinflussen, über HGT auf einen neuen Empfängerbakterienstamm übertragen zu werden.

Ihre Studie zeigt, dass die Übertragbarkeit eines Gens durch mehrere Faktoren beeinflusst wird, darunter die Abweichung der Sequenz vom Empfänger und die Anzahl der Interaktionspartner des resultierenden Proteins (dh seine Konnektivität). Darüber hinaus beeinflussen Divergenz und Konnektivität eines Gens seine Übertragbarkeit weiter.

Während frühere Studien einen Zusammenhang zwischen der Genübertragbarkeit und der Proteinkonnektivität beobachtet haben, rätseln Wissenschaftler über den Mechanismus, der diesem Zusammenhang zugrunde liegt. Es wurden zwei mögliche Hypothesen vorgeschlagen: die Gleichgewichtshypothese und die Komplexitätshypothese.

Die Balance-Hypothese legt nahe, dass neu übertragene Gene zu einer Gendysregulation führen können, indem sie das Gleichgewicht zwischen exprimierten Proteinen stören, während die Komplexitätshypothese darauf hinweist, dass neu übertragene Gene möglicherweise nicht an normalen Protein-Protein-Interaktionen teilnehmen. Wichtig ist, dass die Divergenz zwischen den Spender- und Empfängerstämmen zwar keinen Einfluss auf den ersteren Prozess haben sollte, aber voraussichtlich Auswirkungen auf den letzteren hat, da bei divergenteren Proteinen die Protein-Protein-Interaktion mit größerer Wahrscheinlichkeit fehlschlägt.

Daher kann die Tendenz der Divergenz, den Effekt der Konnektivität auf die Übertragbarkeit zu verstärken, zur Unterscheidung dieser beiden Hypothesen genutzt werden.

Um die Auswirkungen dieser Mechanismen auf die HGT zu entschlüsseln, analysierten Burch und Kollegen alte Daten auf neue Weise. Einige der frühesten bakteriellen und archaealen Genome wurden mithilfe einer Methode sequenziert, bei der das interessierende Genom fragmentiert und jedes Fragment in ein bakterielles Plasmid (ein kleines Stück zirkulärer DNA) eingebaut wurde.

Die Plasmide wurden dann in Escherichia coli kloniert, das sich reproduzieren und weitere Kopien der Plasmide für die anschließende Shotgun-Sequenzierung und den Zusammenbau erzeugen sollte. Vor über fünfzehn Jahren, in eine Studie veröffentlicht in WissenschaftRotem Sorek und Kollegen erkannten, dass diese Bibliotheken verwendet werden könnten, um die Übertragbarkeit von Genen über HGT zu bewerten; Sie fanden heraus, dass bestimmte Gene „nicht klonierbar“ waren, was bedeutete, dass sie nicht auf einem Plasmid vom Wirtsmikroorganismus auf E. coli übertragen werden konnten.

Burch und ihre Co-Autoren verwendeten einen ähnlichen Datensatz, der 70 Bakterien und 4 Archaeen umfasste, führten jedoch eine quantitative Analyse der Übertragbarkeit durch und verwendeten die Sequenzierungsabdeckung als Proxy, um anzuzeigen, wie leicht jedes Gen in E. coli übertragen wurde.

Zunächst stellten Burch und ihre Mitarbeiter erhebliche Verzerrungen in den Daten fest, wobei sowohl die Länge als auch die Position eines Gens dessen Abdeckung beeinflussten.

Burch sagt: „Das allererste, was uns auffiel, war, dass die Leseabdeckung in einigen der Shotgun-Bibliotheken am Ursprung der Genomreplikation dramatisch höher war als am Ende. Das macht natürlich Sinn, wenn man weiß, dass aktiv wachsende Bakterien initiieren.“ viele Replikationszweige am Ursprung.“

„Mit diesem Wissen über die Physiologie von Bakterien konnten wir folgern, dass einige der Shotgun-Bibliotheken aus Genomen erstellt wurden, die aus aktiv wachsenden Zellen isoliert wurden, während andere aus Genomen hergestellt wurden, die aus Zellen isoliert wurden, die nicht aktiv wuchsen. Obwohl dieser besondere Aspekt von Bakterien Obwohl die Physiologie für die Frage, die wir beantworten wollten, nicht relevant war, konnte ich durch unsere Fähigkeit, ihre Auswirkung auf die Daten der Schrotflintenbibliothek zu erkennen, schon in einem frühen Stadium feststellen, dass die biologischen Signale, die wir untersuchen wollten, möglicherweise auch nachweisbar waren.“

Mit anderen Worten: Diese Daten deuten darauf hin, dass die Forscher in der Lage sein würden, Muster zwischen den Variablen zu erkennen, die die HGT beeinflussen.

Nach der Korrektur von Verzerrungen im Zusammenhang mit der Bakterienphysiologie (d. h. häufiger Start der Replikation in aktiv wachsenden Zellen) untersuchten die Autoren den Zusammenhang zwischen der Genübertragbarkeit (geschätzt durch Sequenzierungsabdeckung) und mehreren Faktoren, die HGT beeinflussen können, einschließlich Genfunktion und Proteinkonnektivität , die Divergenz zwischen der Spenderart und E. coli und das Expressionsniveau des nativen Gens in E. coli.

Wichtig ist, dass sie eine signifikante Wechselwirkung zwischen Divergenz und Konnektivität fanden, was die Komplexitätshypothese stützt und darauf hindeutet, dass die Fähigkeit eines übertragenen Gens, an normalen Protein-Protein-Interaktionen teilzunehmen, eine Schlüsselrolle für den Erfolg oder Misserfolg von HGT spielt.

Zusätzlich zu diesen Erkenntnissen war ein wichtiger Beitrag dieser Studie die Entwicklung eines statistischen Tests zur Bewertung der Komplexitätshypothese. Burch bemerkt: „Vor dieser Arbeit wurde die Komplexitätshypothese nur mithilfe verbaler Argumente beschrieben. Ich denke, es war ein wichtiger Schritt vorwärts, die Hypothese in einen spezifischen statistischen Test zu übersetzen. Die Tatsache, dass wir den statistischen Test dann auf vorhandenen durchführen konnten.“ Die genomischen Daten waren das Tüpfelchen auf dem i. Wir danken dem Sorek-Team für seine Vorreiterrolle.“

Ein Vorbehalt dieser Analyse besteht darin, dass sich alle untersuchten Gene auf den Plasmiden (d. h. extrachromosomaler DNA) befanden, die zu ihrer Übertragung in die Empfängerzelle verwendet wurden. Wenn Gene direkt auf bakterielle oder archaeale Chromosomen übertragen werden, können unterschiedliche Dynamiken beobachtet werden.

„Letztendlich möchten wir besser verstehen, welche Folgen der Einbau übertragener Gene in Empfängergenome hat“, sagt Burch. „Moderne Genomsequenzierungstechnologie ermöglicht es, diese Frage mithilfe von Experimenten zur mikrobiellen Evolution zu untersuchen, und einige wurden bereits durchgeführt, aber es werden noch viel mehr Daten benötigt.“

Darüber hinaus beschränkte sich die aktuelle Analyse zwangsläufig auf Gene, die bereits im E. coli-Genom vorhanden waren. „Wir möchten auch den horizontalen Transfer neuer oder akzessorischer Gene, die noch nicht in Empfängerzellen vorhanden sind, besser verstehen“, so Burch weiter. „Diese Gene sind für die Komplexitätshypothese nicht relevant, sodass die Untersuchung für zukünftige Arbeiten erforderlich bleibt.“