Генетическая избыточность помогает бактериям конкурировать в симбиозе с кальмаром

Молекулярный механизм, который используют многие бактерии для уничтожения соседних клеток, имеет встроенную избыточность в своей генетической структуре. Это может позволять механизму работать в разных условиях. Некоторые штаммы биолюминесцентных бактерий, конкурирующие за колонизацию светящихся органов гавайского кальмара-бобтейла, убивают соседние клетки других штаммов с помощью "системы секреции VI типа (T6SS)". Исследователи из Университета штата Пенсильвания и Университета Висконсин-Мэдисон показали, что геномы этих бактерий содержат две копии гена, необходимого для T6SS. Система продолжает работать, когда отключена любая одна копия гена, но не обе.

Исследование, дающее представление о молекулярных механизмах конкуренции бактерий в микробиоме, опубликовано в Journal of Bacteriology.

Конкуренция за симбиоз

Клетки морской биолюминесцентной бактерии Vibrio fischeri заселяют светящийся орган только что вылупившегося кальмара-бобтейла. Ночью бактерии производят синее свечение, которое, как полагают исследователи, скрывает силуэт кальмара от хищников. Орган имеет крипты (карманы), которые обеспечивают бактерии питательными веществами и безопасной средой.

Когда кальмар вылупляется, в его светящемся органе ещё нет бактерий. Бактерии из окружающей среды быстро его колонизируют. Изначально каждую крипту могут занимать несколько разных штаммов. Некоторые из них могут сосуществовать, но другие — бактерии, использующие систему T6SS — убивают клетки иных штаммов.

Избыточность ключевого гена

В лаборатории штамм V. fischeri под названием FQ-A001, использующий T6SS, может убивать клетки штаммов без T6SS и полностью захватывать крипту. T6SS работает как "гиподермическая игла", впрыскивающая токсины в соседние клетки.

Исследователи отключили ген hcp в кластере генов T6SS, который кодирует белок, являющийся частью структуры системы и одним из секретируемых молекул для убийства других клеток. К удивлению, система T6SS продолжала функционировать.

Затем они обнаружили в геноме FQ-A001 ещё одну копию гена hcp (названную hcp1) вне кластера T6SS, кодирующую идентичный белок. Отключение этой копии также не повлияло на способность бактерий убивать другие клетки. Однако когда были отключены обе копии гена hcp, система T6SS переставала функционировать, и бактерии FQ-A001 могли сосуществовать с другими штаммами в светящемся органе кальмара. Функцию T6SS также удалось восстановить, искусственно вызвав экспрессию Hcp у бактерий с отключёнными естественными копиями гена.

"Две копии гена hcp, по-видимому, полностью функционально избыточны", — сказал руководитель исследования Тим Мияширо. Это знание помогает лучше понять молекулярные механизмы, лежащие в основе установления симбиотических отношений между бактериями и их хозяевами.