«Переключатели» внутри генов позволяют бактериям кодировать больше одного белка на ген

У бактерий есть множество способов приспособиться к меняющимся условиям окружающей среды. Это и случайные мутации, и так называемая фазовая изменчивость, которая меняет уровни экспрессии генов. В некоторых случаях фазовая изменчивость осуществляется за счет обратимых инверсий последовательностей ДНК. Например, известны сайт-специфические рекомбиназы, которые, распознавая пары инвертированных повторов, могут поменять направление последовательности ДНК. Часто при этом направление промотора меняется таким образом, чтобы он либо выключил экспрессию одного гена, либо вместо него начал экспрессироваться другой. Такие последовательности называют интергенными инвертонами. Именно за счет этого механизма патогенная бактерия Salmonella enterica может «переключаться» с экспрессии одного антигена на другой, скрываясь от иммунитета организма-хозяина. Существуют также частично интергенные инвертоны, или шаффлоны (shufflon, от слова shuffle — перемешивать), при инверсии которых одна часть белкового продукта остается нетронутой, а вторая изменяется. В новой работе ученые из США открыли новый класс таких «переключателей» — интрагенные инвертоны, которые дают бактериям возможность кодировать больше одного белка одним геном.

Изначально исследователи анализировали инвертоны в кишечных бактериях у пациентов, которым пересаживали гемопоэтические клетки. Они предположили, что в таких образцах можно найти ранее не описанные инвертоны, так как бактерии кишечной микрофлоры находятся в стрессовых условиях. Для идентификации инвертонов ученые использовали алгоритм PhaseFinder и сосредоточились на бактерии Bacteroides thetaiotaomicron VPI-5482. У нее нашли пять инвертонов в генах, кодирующих полисахариды капсулы, причем в лабораторных штаммах той же бактерии большинство инвертонов было неактивным. Помимо интергенных инвертонов у этой бактерии обнаружились и интрагенные, что ученые изначально приняли за ошибку, но нашли похожие последовательности и у другой бактерии — Bacteroides fragilis.

Авторы проверили присутствие инверсий в 59 из 63 предсказанных инвертонов и подтвердили, что в десяти случаях присутствовали прямые и инвертированные последовательности ДНК. Иногда такие инверсии приводят к «перекодированию» белков. Например, в гене инвертазы BT0375, которая производит инверсию близлежащего промотора CPS1, происходила инверсия 57 нуклеотидов, в результате чего изменялась аминокислотная последовательность части белка. Исследователи предположили, что это изменение может влиять на кинетику реакции, на сродство белка к ДНК или на специфичность его действия. В других случаях интрагенная инверсия приводила к появлению преждевременного стоп-кодона и к экспрессии укороченного белка, что могло влиять на связанные с ним сигнальные пути.

Чтобы облегчить поиск других интрагенных инвертонов, ученые разработали собственный алгоритм — PhaVa. Большинство существующих инструментов для подобных целей опираются на короткие прочтения. Однако инвертоны могут включать в себя множество повторов, поэтому PhaVa опирается на длинные прочтения.

С помощью PhaVa исследователи проанализировали 29 989 наборов длинных прочтений, которые принадлежали 4115 видам бактерий. В результате они выявили 4622 инвертона, из которых 3468 были интергенными. Особенно много интергенных инвертонов оказалось у типов Bacteroidetes, Fusobacteria, Gammaproteobacteria и Verrucomicrobia. Наибольшее число интрагенных инвертонов ученые выявили у кишечной палочки и сальмонеллы, что они связали с большим числом доступных образцов их изолятов.

Из 372 найденных интрагенных инвертонов 169 перекодировали белки. Ученые рассмотрели некоторые из этих инвертонов подробнее. Так, инвертон в гене slmA, который кодирует фактор, определяющий время начала деления бактерии Bordetella bronchiseptica, приводит к изменению 128 из 191 аминокислоты в результирующем белке. Конечно, это сильно изменяет 3D-структуру белка, так что он становится похожим на Tet-репрессор. Скорее всего, это указывает на смену функций белка.

Другой инвертон был расположен в гене barA бактерии Aeromonas hydrophila; кодируемый им белок является частью системы, позволяющей бактерии воспринимать внешние стимулы и реагировать на них. Инвертон в этом гене заменял 40 аминокислот в том домене белка BarA, который отвечает за передачу сигналов транскрипционному фактору. При этом после инверсии белок все еще сохранял свои функции, но, видимо, изменялась либо эффективность передачи сигнала, либо рецептор, от которого белок его получал. Еще два инвертона находились в генах hsdS бактерии Mycoplasma hominis; кодируемые ими белки определяют, какие мотивы ДНК станут мишенями для метилирования или рестрикции. Инвертоны вносили инверсии в домен этого белка, который необходим для взаимодействия с ДНК.

Более детально исследователи проанализировали интрагенный инвертон в гене thiC бактерии B. thetaiotaomicron BT0650. Этот ген кодирует фермент, важный для синтеза тиамина — кофактора многих биохимических реакций. Из-за инвертона в гене thiC появлялся преждевременный стоп-кодон, что приводило к экспрессии укороченного белка. Исследователи предположили, что в этом случае бактерия не смогла бы существовать без тиамина в среде, так как больше не смогла бы синтезировать его самостоятельно, т. е. после инверсии фенотип бактерии бы стал таким же, как и у мутанта с нокаутом по thiC. Для проверки этой гипотезы ученые получили штаммы бактерий с зафиксированными направлениями инверсий в thiC, для чего ввели мисматчи в 6 из 11 нуклеотидов инвертированных повторов вокруг инвертона. Эти штаммы, штамм дикого типа и штамм с нокаутом по thiC выращивали в присутствии разных концентраций тиамина. Штамм с инвертоном в прямом направлении по фенотипу был похож на штамм дикого типа: рост этих бактерий не зависел от концентрации тиамина в среде. Штамм с инвертоном в обратном направлении же, как и штамм с нокаутом, мог стабильно расти только в присутствии 0,1 мкМ или больше тиамина в среде. Протеомный анализ также подтвердил, что в штамме с инвертоном в обратном направлении экспрессируется только первая часть белка до стоп кодона, но не вторая.

Исследователи задались вопросом, какое физиологическое преимущество бактерии может дать инвертон, который делает ее зависимой от присутствия тиамина в среде. Чтобы понять это, ученые провели эксперимент по конкурирующему росту штаммов с инвертонами в разных направлениях: их растили вместе в средах с разной концентрацией тиамина. По мере роста концентрации тиамина выше 0,01 мкМ преимущество появлялось у штамма с инвертоном в обратном направлении. В кишечнике человека, где обычно живет эта бактерия, концентрация тиамина варьирует в пределах 0,02–2 мкМ, и штамм-ауксотроф получает в таких условиях преимущество.

Эксперименты также показали, что присутствие тиамина в среде не влияет на экспрессию ни одной из 54 известных инвертаз B. thetaiotaomicron и на само возникновение инверсии. Ученым еще предстоит установить, за счет каких механизмов происходят инверсии в участках интрагенных инвертонов.

Бактерий-«вампиров» привлекает серин в сыворотке крови