Древние вирусы оставили после себя гены, распространяющиеся спустя миллионы лет

Фото из открытых источников

Древние вирусные гены передавались между видами дрожжей, возможно, с помощью насекомых, что раскрывает удивительный механизм эволюции. Результаты исследования были опубликованы в журнале Molecular Biology and Evolution.

Гены обычно передаются по генеалогическому древу, от родителей к потомству. В группе дрожжей, обитающих на гнилой древесине, набор генов, оставленный древним вирусом, также переместился вбок, из одного вида в другой.

Новое генетическое исследование выявило доказательства как минимум трех таких скрещиваний. Насколько известно исследователям, это первый задокументированный случай передачи целого кластера генов древнего РНК-вируса между видами.

Профессор Дерек Тейлор, биолог из Университета Буффало, выполнил эту работу вместе со студентом магистратуры Домиником Трингали. Они предполагают, что древоядные насекомые, которые переносят эти дрожжи в своем кишечнике и оставляют их в своих экскрементах, сблизили разные виды настолько, что они обменялись ДНК.

«Это эволюционная загадка, и у древоядных насекомых были для этого средства и возможности», — сказал Тейлор.

Все доказательства были получены на основе анализа ДНК. Команда сравнила общедоступные геномы 18 видов и штаммов дрожжей, вместо того чтобы наблюдать за процессом переноса в лаборатории.

Гены были получены от тотивируса, разновидности вируса, поражающего грибы, в том числе дрожжи. Он передается в основном от одного поколения клеток к другому при делении клетки. Тотивирусы переносят свои гены в виде РНК и не имеют встроенного механизма для встраивания в ДНК хозяина, как это делает ВИЧ.

Тем не менее, один из его экземпляров оказался у предка этих дрожжей, которые принадлежат к группе, называемой Scheffersomyces. Точный механизм этого процесса неизвестен. Исследователи предполагают, что дрожжевая клетка сама скопировала вирусную РНК в ДНК.

Тейлор и его коллега впервые описали этот кластер в статье 2009 года, работая с дрожжами под названием Scheffersomyces stipitis. Кластер содержит четыре гена подряд. Одна из них содержит обе основные части вируса: инструкции для его белковой оболочки и для фермента, копирующего его РНК.

Остальные три представляют собой дополнительные копии гена оболочки, образовавшиеся после того, как гены вируса соединились с ДНК дрожжей. Команда назвала этот кластер STORM. У дрожжей, где он был впервые обнаружен, он занимал одно и то же место в геноме по меньшей мере 15 миллионов лет. Возможно, он намного старше.

Если гены передаются от родителей к потомству только в том случае, их родословное дерево должно совпадать с родословным деревом вида, который их несёт. Дерево STORM этого не соответствовало.

В двух случаях скрещивания кластер в одной группе дрожжей больше всего походил на кластер в более отдаленной группе. Биологи называют такой вид горизонтального переноса генов. Это явление хорошо известно среди микробов, и оно было задокументировано у грибов и даже растений.

Чтобы оценить необычность паттерна STORM, команда построила генеалогические деревья для 3527 других генов, общих для всех 18 видов дрожжей. Ни одно из этих деревьев не воспроизвело в полном объеме ни один из трех паттернов STORM.

«Теперь у нас есть убедительные доказательства того, что целый кластер из четырех генов вышел за пределы видовых границ», — сказал Тейлор.

В принципе, скрещивание между видами может привести к аналогичному результату. Но для этого потребовалось бы как минимум два отдельных эпизода, и команда не обнаружила никаких признаков того, что ДНК вида-донора широко распространилась по остальной части генома.

Третье скрещивание заменило лишь часть кластера. В одном штамме S. stipitis первые три гена были заменены на версии, наиболее похожие на гены родственного вида, Scheffersomyces segobiensis. Четвертый ген и ДНК с обеих сторон сохранили свое происхождение от S. stipitis.

Помимо гена STORM, обнаруженного в дрожжах Scheffersomyces insectosa, команда исследователей нашла поврежденные остатки гена, отвечающего за способность к прыжкам. Эти участки ДНК, известные как транспозоны, могут перемещаться из одного места в геноме в другое.

Исследователи назвали это семейство транспозонов YEET, что является сокращением от Yeast Endogenous Element Transposon (эндогенный элементный транспозон дрожжей). Его остатки рядом с STORM, а также поврежденный ген дрожжей рядом с ними, выглядели так, будто принадлежали той же группе доноров, что и сам STORM.

«Поскольку ген STORM и соседний ген, участвующий в процессе переноса, демонстрируют признаки одной и той же необычной эволюционной истории, мы предполагаем, что транспозон мог переносить ген STORM между видами дрожжей в качестве дополнительного груза», — сказал Трингали.

По всей видимости, транспозоны YEET также самостоятельно пересеклись между этими дрожжами, обитающими в гниющей древесине, по меньшей мере в пяти случаях. Как произошло еще одно полное перекрестное скрещивание, остается неясным.

Дрожжи рода Scheffersomyces обитают в гниющих бревнах, в экскрементах насекомых и внутри кишечника древоядных насекомых. Один из видов этой группы, описанный как новый в 2025 году, был выделен из стенки кокона жука-оленя.

«Для обмена геномным материалом необходимо находиться в одном и том же месте в одно и то же время», — сказал Тейлор.

Авторы пишут, что эти общие места обитания дают различным дрожжам возможность обмениваться ДНК. Однако один лишь контакт не показывает, как именно перемещалась ДНК.

РНК-вирусы быстро изменяются, и обычно ожидается, что гены, заимствованные у них, замедляют свою активность после того, как становятся частью генома хозяина. STORM же поступил наоборот. По оценкам исследовательской группы, белки этого вируса изменялись примерно в семь раз быстрее, чем белки родственных вирусов, которые до сих пор инфицируют клетки.

В зависимости от предполагаемого возраста кластера, скорость оценки варьировалась от чуть менее шести до почти девяти раз выше. 

«Эти гены пережили необычайную эволюционную жизнь после исчезновения вируса», — сказал Трингали. «Даже спустя долгое время после исчезновения исходного вируса его гены продолжали эволюционировать, размножаться и распространяться между видами дрожжей».

Все четыре гена изменились по-разному. Четвертый ген изменился больше всего. Результаты исследований показали, что естественный отбор ослабил влияние этого гена и позволил изменениям накапливаться, а не способствовал появлению новых его версий.

Однако этот ген сохранил ключевой элемент одной из уловок вируса. Родственные дрожжевые вирусы снимают защитную химическую «колпачку» с передней части собственных РНК-сообщений клетки и используют её для своих собственных целей.

Четвертый ген по-прежнему содержит аминокислоты, образующие карман, удерживающий «колпачок» вируса. Отбор по первому гену, напротив, усилился сильнее, чем по второму и третьему.

Компьютерные предсказания формы белков показали, что все четыре гена по-прежнему содержат инструкции для белков, имеющих форму вирусной оболочки.

Этот кластер не молчат. В генетических данных пяти видов и штаммов дрожжей было обнаружено, что клетки создавали РНК-копии всех четырех генов, причем первый ген обычно был наиболее активным.

У одного вида первый и четвертый гены были примерно в три раза активнее в колбах, сконструированных таким образом, чтобы в них было больше кислорода.

Эти тесты на рост не были предназначены для исследования вирусной инфекции, поэтому активность генов могла быть связана с обработкой РНК, с окружающей средой дрожжей или с защитой от вирусов.

В подтверждение последней идеи есть подсказка. В эксперименте 2018 года ген, похожий на оболочечный, из других дрожжей, Debaryomyces hansenii, уничтожил родственный вирус в пекарских дрожжах.

Из двух штаммов S. segobiensis, тот, у которого был интактный кластер, не содержал обнаруживаемого тотивируса. Штамм без интактного кластера был единственным в исследовании, у которого он был обнаружен.

«Тотивирусы — своего рода заклятые друзья дрожжей. При определенных условиях они помогают хозяину справляться с физиологическим стрессом», — сказал Тейлор. «Таким образом, для дрожжей может быть полезно сохранять полезные свойства вируса, не беспокоясь о контроле над ним».

Какова реальная роль четырех белков STORM внутри дрожжевой клетки, пока не изучено. Команда надеется вырастить дрожжи в условиях различных стрессовых факторов и посмотреть, отреагируют ли на это гены. Полученные результаты могут указывать на ту функцию, которую эти гены теперь выполняют для своих хозяев.