Бактерии и их вирусы – когда гонка вооружений застопорится на тысячелетия
Хорошо сохранившаяся ДНК нескольких сотен видов бактериофагов того времени — вирусов, поражающих бактерии, — была обнаружена в образцах человеческих фекалий более тысячи лет назад и в кишках древней мумии. Оказалось, что геном одного из видов практически такой же, как у современных вирусов. Почему эволюция этого вида так долго застопорилась?
Результаты исследований международной группы под руководством поляков опубликованы в журнале Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-023-44370-0) и меняют взгляд на «гонку вооружений» между вирусами и их бактериальными хозяевами.
– То, что мы обнаружили, похоже, противоречит тому, что ранее было известно о бактериофагах, – комментирует первый автор исследования Петр Розвалак из Университета Адама Мицкевича в Познани. Адам Мицкевич в Познани (UAM). Это исследование было проведено в рамках его магистерской диссертации.
Бактериофагия Для размножения вирусы должны проникнуть в клетку-хозяина и заставить ее скопировать свой генетический материал. Существуют вирусы, поражающие клетки растений, человека и животных. Вирусные инфекции также угрожают бактериальным клеткам. Такие бактериоспецифичные вирусы представляют собой бактериофаги (или сокращенно: фаги).
В пищеварительной системе человека обитают как бактерии, так и бактериофаги. Некоторые из них полезны для здоровья человека или нейтральны, тогда как другие не обязательно таковы. Их ДНК можно обнаружить в образцах фекалий или материале, взятом из кишечника.
Биоинформатик и соавтор статьи, доктор Анджей Зелезинский из Университета Адама Мицкевича, объясняет, что благодаря достижениям метагеномики можно секвенировать и читать фрагменты ДНК, обнаруженные в образце биологического материала, взятого из любой среды (например, почвы). или пищеварительная система человека). Затем эти вырезанные «пазлы» можно собрать на более крупные фрагменты, включая целые геномы, и сравнить их с уже известными геномами различных организмов.
Благодаря этому можно, например, секвенировать миллионы фрагментов нитей ДНК, содержащихся в образце материала, даже если этому образцу тысячи или миллионы лет, но он прекрасно сохранился.
Переработка бледных отходов Таким образом, команды со всего мира исследовали человеческие фекалии более тысячи лет назад, сохранившиеся в пустынных пещерах Мексики, Аризоны и Юты в США. Образцы также были взяты из внутренностей 5000-летней человеческой мумии, найденной в Альпах, и из соляной шахты, относящейся к бронзовому веку.
Интересно, что данные этих исследований были общедоступны. Чтобы получить доступ к данным об ископаемой ДНК, содержащейся в палеофекалиях, не нужно было проводить дорогостоящие поиски, археологические исследования и секвенирование генома, достаточно было анализировать общедоступные базы данных и искать в них информацию, отличную от той, которую изначально представляли их авторы. находясь в поиске.
– Мы только что провели такую переработку данных, – поясняет Петр Розвалак.
В то время как предыдущие исследования других групп были сосредоточены на многовековых бактериях кишечной флоры, команда поляков решила сосредоточиться на геноме древних бактериофагов, населяющих пищеварительную систему человека. – Таким образом, мы сделали шаг в новую область знаний: виромику, то есть изучение вирусов, присутствующих в различных образцах окружающей среды. Мы были одними из первых, кто протестировал образцы на бактериофаги. И таким образом мы открыли дверь в совершенно новую область, а именно виромику ископаемых, которая занимается изучением вирусов прошлого, - объясняет Петр Розвалак.
Гонка вооружений Ученые решили проверить, насколько быстро изменился геном бактериальных вирусов за последние несколько столетий. Они предполагали, что по крайней мере некоторые ископаемые бактериофаги будут похожи на современные. Однако они поняли, что препятствием может стать эволюционный процесс, стирающий любые следы сходства между последующими поколениями вирусов. Речь идет о постоянной гонке вооружений между бактериями и вирусами, которая может быстро изменить до неузнаваемости обе стороны.
Бактериофаги часто способствуют гибели или ослаблению бактерий. Поэтому обычно в интересах бактерий создать эффективные защитные механизмы против своих патогенов. Если одна бактерия найдет способ защитить себя от инфекции, она сможет передать это генетическое «обновление программного обеспечения» своим соседям. И тогда будут размножаться только те вирусы, которые найдут новую брешь в защите хоста. Таким образом, казалось, что бактериофаги и их хозяева всегда эволюционировали очень быстро.
И вот сюрприз. Исследователи обнаружили геномы почти 300 видов бактериофагов, которые частично были похожи на найденные сегодня. Однако один из вирусов оказался уникальным: его геномная последовательность на 97,7 процента была схожа с геномом современного бактериофага. Это вирус под названием Мушувирус мушу. Это вирус, поражающий анаэробные кишечные бактерии, оказывающие положительное влияние на наше здоровье, в том числе род Faecalibacterium.
Бактерии могут сотрудничать с фагами Что заставило потомков вируса выглядеть так же, как их предки 1300 лет назад? "Это указывает на длительную связь между этим вирусом и его хозяином", - пишут авторы публикации.
– Наш вирус встроен в бактериальный геном. И почему-то бактерии от него не защищаются. Наша гипотеза состоит в том, что существуют мутуалистические отношения: каждая сторона каким-то образом получает выгоду от присутствия другой стороны — она что-то получает и хочет сотрудничать. Итак, на основании этих исследований мы можем предположить, что иногда бактерии могут сотрудничать с фагами и получать от их присутствия некоторую выгоду, — говорит Петр Розвалак.
Доктор Зелезинский дополнительно предполагает, что стабильность вируса также может быть обусловлена его способностью заражать до 8 различных видов бактерий. И это доказывает, что вирусы очень универсальны в мире. Однако в такой ситуации значительные изменения в ДНК вируса могут привести к утрате им способности заражать любого хозяина. Таким образом, вирус не заинтересован в эволюции.
Доктор Зелезинский поясняет, что при исследовании ископаемой ДНК следует быть крайне скептически настроенным, поскольку существует вероятность случайного загрязнения образцов современной ДНК. Поэтому авторы провели серию строгих тестов, чтобы проверить подлинность ископаемого вируса. Результаты испытаний ясно показали, что Мушувирус мушу был таким же старым, как и протестированный образец.
– Мы провели первую в мире реконструкцию геномов ископаемых бактериофагов в образцах, представляющих среду кишечника человека возрастом до 5000 лет назад, и разработали каталог этих вирусов, проливающий некоторый свет на ранее неизвестные аспекты истории микромира кишечника. . И, кстати, мы обнаружили один вид вируса, который не только веками выживал в кишечнике человека, но и сохранял свою неизмененную форму по меньшей мере 1300 лет, - подводит итог исследования доктор Зелезинский.
Познание
Бактерии и их вирусы – когда гонка вооружений застопорится на тысячелетия
Хорошо сохранившаяся ДНК нескольких сотен видов бактериофагов того времени — вирусов, поражающих бактерии, — была обнаружена в образцах человеческих фекалий более тысячи лет назад и в кишках древней мумии. Оказалось, что геном одного из видов практически такой же, как у современных вирусов. Почему эволюция этого вида так долго застопорилась?Результаты исследований международной группы под руководством поляков опубликованы в журнале Nature Communications (DOI: 10.1038/s41467-023-44370-0) и меняют взгляд на «гонку вооружений» между вирусами и их бактериальными хозяевами.
– То, что мы обнаружили, похоже, противоречит тому, что ранее было известно о бактериофагах, – комментирует первый автор исследования Петр Розвалак из Университета Адама Мицкевича в Познани. Адам Мицкевич в Познани (UAM). Это исследование было проведено в рамках его магистерской диссертации.
Бактериофагия
Для размножения вирусы должны проникнуть в клетку-хозяина и заставить ее скопировать свой генетический материал. Существуют вирусы, поражающие клетки растений, человека и животных. Вирусные инфекции также угрожают бактериальным клеткам. Такие бактериоспецифичные вирусы представляют собой бактериофаги (или сокращенно: фаги).
В пищеварительной системе человека обитают как бактерии, так и бактериофаги. Некоторые из них полезны для здоровья человека или нейтральны, тогда как другие не обязательно таковы. Их ДНК можно обнаружить в образцах фекалий или материале, взятом из кишечника.
Биоинформатик и соавтор статьи, доктор Анджей Зелезинский из Университета Адама Мицкевича, объясняет, что благодаря достижениям метагеномики можно секвенировать и читать фрагменты ДНК, обнаруженные в образце биологического материала, взятого из любой среды (например, почвы). или пищеварительная система человека). Затем эти вырезанные «пазлы» можно собрать на более крупные фрагменты, включая целые геномы, и сравнить их с уже известными геномами различных организмов.
Благодаря этому можно, например, секвенировать миллионы фрагментов нитей ДНК, содержащихся в образце материала, даже если этому образцу тысячи или миллионы лет, но он прекрасно сохранился.
Переработка бледных отходов
Таким образом, команды со всего мира исследовали человеческие фекалии более тысячи лет назад, сохранившиеся в пустынных пещерах Мексики, Аризоны и Юты в США. Образцы также были взяты из внутренностей 5000-летней человеческой мумии, найденной в Альпах, и из соляной шахты, относящейся к бронзовому веку.
Интересно, что данные этих исследований были общедоступны. Чтобы получить доступ к данным об ископаемой ДНК, содержащейся в палеофекалиях, не нужно было проводить дорогостоящие поиски, археологические исследования и секвенирование генома, достаточно было анализировать общедоступные базы данных и искать в них информацию, отличную от той, которую изначально представляли их авторы. находясь в поиске.
– Мы только что провели такую переработку данных, – поясняет Петр Розвалак.
В то время как предыдущие исследования других групп были сосредоточены на многовековых бактериях кишечной флоры, команда поляков решила сосредоточиться на геноме древних бактериофагов, населяющих пищеварительную систему человека. – Таким образом, мы сделали шаг в новую область знаний: виромику, то есть изучение вирусов, присутствующих в различных образцах окружающей среды. Мы были одними из первых, кто протестировал образцы на бактериофаги. И таким образом мы открыли дверь в совершенно новую область, а именно виромику ископаемых, которая занимается изучением вирусов прошлого, - объясняет Петр Розвалак.
Гонка вооружений
Ученые решили проверить, насколько быстро изменился геном бактериальных вирусов за последние несколько столетий. Они предполагали, что по крайней мере некоторые ископаемые бактериофаги будут похожи на современные. Однако они поняли, что препятствием может стать эволюционный процесс, стирающий любые следы сходства между последующими поколениями вирусов. Речь идет о постоянной гонке вооружений между бактериями и вирусами, которая может быстро изменить до неузнаваемости обе стороны.
Бактериофаги часто способствуют гибели или ослаблению бактерий. Поэтому обычно в интересах бактерий создать эффективные защитные механизмы против своих патогенов. Если одна бактерия найдет способ защитить себя от инфекции, она сможет передать это генетическое «обновление программного обеспечения» своим соседям. И тогда будут размножаться только те вирусы, которые найдут новую брешь в защите хоста. Таким образом, казалось, что бактериофаги и их хозяева всегда эволюционировали очень быстро.
И вот сюрприз. Исследователи обнаружили геномы почти 300 видов бактериофагов, которые частично были похожи на найденные сегодня. Однако один из вирусов оказался уникальным: его геномная последовательность на 97,7 процента была схожа с геномом современного бактериофага. Это вирус под названием Мушувирус мушу. Это вирус, поражающий анаэробные кишечные бактерии, оказывающие положительное влияние на наше здоровье, в том числе род Faecalibacterium.
Бактерии могут сотрудничать с фагами
Что заставило потомков вируса выглядеть так же, как их предки 1300 лет назад? "Это указывает на длительную связь между этим вирусом и его хозяином", - пишут авторы публикации.
– Наш вирус встроен в бактериальный геном. И почему-то бактерии от него не защищаются. Наша гипотеза состоит в том, что существуют мутуалистические отношения: каждая сторона каким-то образом получает выгоду от присутствия другой стороны — она что-то получает и хочет сотрудничать. Итак, на основании этих исследований мы можем предположить, что иногда бактерии могут сотрудничать с фагами и получать от их присутствия некоторую выгоду, — говорит Петр Розвалак.
Доктор Зелезинский дополнительно предполагает, что стабильность вируса также может быть обусловлена его способностью заражать до 8 различных видов бактерий. И это доказывает, что вирусы очень универсальны в мире. Однако в такой ситуации значительные изменения в ДНК вируса могут привести к утрате им способности заражать любого хозяина. Таким образом, вирус не заинтересован в эволюции.
Доктор Зелезинский поясняет, что при исследовании ископаемой ДНК следует быть крайне скептически настроенным, поскольку существует вероятность случайного загрязнения образцов современной ДНК. Поэтому авторы провели серию строгих тестов, чтобы проверить подлинность ископаемого вируса. Результаты испытаний ясно показали, что Мушувирус мушу был таким же старым, как и протестированный образец.
– Мы провели первую в мире реконструкцию геномов ископаемых бактериофагов в образцах, представляющих среду кишечника человека возрастом до 5000 лет назад, и разработали каталог этих вирусов, проливающий некоторый свет на ранее неизвестные аспекты истории микромира кишечника. . И, кстати, мы обнаружили один вид вируса, который не только веками выживал в кишечнике человека, но и сохранял свою неизмененную форму по меньшей мере 1300 лет, - подводит итог исследования доктор Зелезинский.