Вклад интегронов в эволюцию бактериальных геномов
Бактериям свойственна поразительная пластичность, позволяющая им быстро приспособляться к различным, часто изменяющимся условиям окружающей среды. Высокая адаптационная способность бактерий определяется наличием специфических механизмов, с помощью которых в их геномах происходят изменения в содержании генов или порядке их расположения. В этих процессах основную роль играют мобильные генетические элементы - бактериофаги , плазмиды , транспозоны , инсерционные последовательности и, как выяснилось при изучении причин быстрого распространения множественной резистентности к антибиотикам среди различных групп бактерий, интегроны. Проведенные исследования существенно изменили наши представления о вкладе интегронов в эволюцию бактериальных геномов. Оказалось, что помимо интегронов, захватывающих генные кассеты антибиотикорезистентности, связанных обычно с плазмидами или транспозонами, существуют хромосомные интегроны, получившие название суперинтегронов из-за содержания в большинстве из них множества кассет с генами, кодирующими различные адаптивные функции, такие как патогенность, резистентность, метаболизм, а также генов с неизвестными функциями. Каждая генная кассета может существовать и как отдельный мобильный генетический элемент в виде нереплицирующегося замкнутого кольца, который может быть внедрен посредством сайтспецифической рекомбинации в состав любого интегрона, с которым он сталкивается в клетке. Большинство генных кассет, изученных к настоящему времени, являются уникальными для каждого вида. Число родов и видов бактерий, которые известны сейчас как хозяева интегронов, очень большое и включает Vibrio , Shewanella , Pseudomonas , Geobacter , Treponema , Nitrosomonas , Xanthomonas [ Rowe-Magnus, 2003 , Rowe-Magnus, 2002 , Rowe-Magnus, 2001 ] и этот список может быть еще продолжен. Такое разнообразие видов, наследующих интегроны, свидетельствует о том, что платформы, пригодные для хранения, приобретения, перераспределения и экспрессии генных кассет, играют чрезвычайно важную роль в жизни бактерий.
Поскольку суперинтегроны широко распространены среди бактерий, пул генных кассет с адаптивными функциями огромен, и интегроны, связанные с плазмидами или транспозонами, способны захватывать их и переносить к другим видам. На примере традиционного интегрона 1-го класса , наиболее широко распространенного среди бактерий самых разных видов, показано, что интеграция геных кассет в сайт attI1 , катализируемая рекомбинационным ферментом IntI1 этого интегрона, эффективно осуществляется во множестве бактериальных видов почти с одинаковой частотой [ Biskri, 2005 ].
Вопрос о происхождении генных кассет до сих пор является темой для спекуляций. Существует предположение, что ORF образуются в процессе обратной транскрипции и соединения с соответствующим attC-сайтом [ Recchia, 1997 , Manning, 1999 ]. О том, что процесс сборки кассет действительно существует внутри каждого вида, свидетельствуют данные анализа кассет суперинтегрона холерного вибриона, где полностью неродственные ORF связаны с почти идентичными VCR . Это указывает на независимое происхождение VCR и ORF, которые, объединяясь, образуют генные кассеты. Те же кассеты, которые содержат attC-сайты, слабо родственные с VCR, вероятно, имеют экзогенное происхождение и были приобретены как полные кассеты в процессе горизонтального переноса [ Rowe-Magnus, 2003 ].
Предполагается, что интегроны множественной резистентности к антибиотикам произошли от хромосомных интегронов в результате захвата генов intI и родственных им attI-сайтов высоко мобильными структурами типа плазмид или транспозонов и последующего внедрения генных кассет в созданную таким образом платформу интегрона [ Rowe-Magnus, 2001 , Fluit, 2004 ]. Открытые маленькие хромосомные интегроны у бактерий Nitrosomonas europaea , Shewanella oneidensis , Geobacter sulfurreducens , содержащие несколько кассет или вовсе не содержащие их, могут служить, по-видимому, более подходящими источниками интеграз и рекомбинационных сайтов, чем большие суперинтегроны [ Leon, 2003 ].
Филогенетический анализ, проведенный на основании результатов сравнительного изучения дивергенции жизненно важных хромосомных генов и генов интеграз у представителей разных видов вибрионов, позволил заключить, что структуры, подобные суперинтегронам Vibrio, являются древними, направлявшими эволюцию бактериальных геномов в течение сотен миллионов лет. Последнее заключение было сделано на основании расчетов частоты возникновения нуклеотидных замен [ Rowe-Magnus, 2001 ], показавших на примере представителей двух родов, Vibrio и Рseudomonas/Xanthomonas, что они отделились друг от друга 300-800 млн. лет назад. Существует предположение, что древний интегрон образовался из иммобилизованного профага [ Rowe-Magnus, 2001 ]. Действительно, несмотря на дивергенцию генов интеграз, все ферменты объединяются в четко очерченную группу сайтспецифических рекомбиназ, родственных семейству рекомбиназ лямбдоидных фагов. Если это действительно так, интегроны и профаги смогли дивергировать таким образом, что они уже не сохранили перекрывающихся функций, кроме тех, которые связаны с рекомбинационным механизмом.
