Фотосинтезирующий аппарат хлоропласта состоит из двух фотосистем: фотосистемы I и фотосистемы II (ФСI и ФСII), которые представляют собой улавливающие свет белковые комплексы и светочувствительные пигменты, соединенные между собой цепями переноса электронов. Энергия, высвобождаемая при движении электрона между этими двумя фотосистемами, используется для перемещения через мембраны протонов (ионов водорода). Эта протонная помпа продуцирует АТФ, источник энергии клетки, и дает энергию для протекания цикла Кальвина, в результате которого синтезируется глицеральдегид-3-фосфат, главный строительный блок для всех структур клетки. Главные действующие лица фотосинтезасветочувствительные пигменты ФСI и ФСII, причем эти пигменты проявляют различную чувствительность к свету в зависимости от его интенсивности и длины волны. Разные штаммы прохлорококка имеют разные фотосистемы, которые адаптированы к функционированию на разных глубинах моря (Moore, Rocap, Chisholm, 1998). Водоросли, обитающие на больших глубинах, используют длины волн света, который способен проникать наиболее глубоко, а водоросли, обитающие в поверхностных слоях, используют длину волны, которая не способна проникать на большую глубину. Химические структуры фотосинтезирующих систем могут повреждаться случайно попадающим на них светом. Все прохлорококки, особенно те, которые находятся в поверхностных слоях воды, подвержены опасности экспозиции к слишком сильному свету, которая приводит к подавлению фотосинтеза. Активный центр ФСII состоит из белкового димерадвух белковых молекул, D1 и D2, которые содержат светочувствительный пигмент, необходимый для протекания фотохимических реакций. Белок D1 особенно чувствителен к световым повреждениям, что требует постоянной замены белка, для того чтобы клетка оставалась здоровой и продолжала осуществлять фотосинтез. Если клетка оказывается неспособной восполнять D1 в ФСII, то происходит подавление фотосинтеза и снижается продукция энергии клеткой.
Цианобактерии являются хозяевами для множества фагов, преимущественно для цианофагов. Существует множество типов, которые инфицируют как прохлорококк, так и синехококк. Для всех вирусов самое главное свойство инфицируемой клеткиэто метаболическая жизнеспособность, продуцирование достаточного количества энергии и материалов для поддержания репликации вируса. Фаг S-PM2, член семейства Myoviridae, который инфицирует синехококк, в высшей степени адаптирован к инфицированию именно этого фотосинтезирующего хозяина. Ученые, исследовавшие инфекционный цикл S-PM2, обнаружили, что адсорбция на поверхности синехококка в значительной степени зависит от освещенности. Оказалось, что так же, как сами цианобактерии наиболее активно растут и делятся в дневное время суток, фаги начинают свои атаки на рассвете, а вирусные частицы освобождаются из погибших микробов в сумерки (Clokie, Mann, 2006). Таким образом, вирус синхронизирует максимум инфицирования популяции клеток-хозяев с тем временем дня, когда хозяин метаболически наиболее активен и может выделить достаточно энергии для репликации хищника. Когда ученые секвенировали геном S-PM2, стало ясно, что это не простой литический фаг, а фаг сложный, содержащий в двухцепочечной спирали ДНК 193 тысячи пар оснований. Более того, ученые были удивлены, открыв, что геном содержал фотосинтезирующие гены, напоминавшие гены, кодирующие светочувствительные белки бактерий-хозяев (Mann et al., 2003). Последовательности, кодирующие D1- и D2-компоненты ФСII, были обнаружены в отрезке из четырех тысяч пар оснований в геноме фага. Эти гены оказались в высшей степени гомологичными, соответствующими генам синехококка, что подтверждает их бактериальное происхождение. Это пример горизонтального переноса генетической информации. Детальный анализ позволяет предполагать, что фаг приобрел эти два гена в ходе независимых переносов, что подтверждает преобладание такого механизма в эволюции фагов и их хозяев (Lindell et al., 2004; Sullivan et al., 2006). Весьма вероятно, что фаг получает выгоду от включения этих фотосинтетических генов бактерии-хозяина в свой геном. Примечательно, что были приобретены также и гены, кодирующие большую часть фоточувствительных белков. На поздних стадиях инфицирования функции поддержания клеточного метаболизма клетки прекращаются. Все ресурсы клетки направляются на поддержание репликации фага и синтез вирусных белков. Следовательно, для вируса критически важна способность поддержать синтез необходимого для фотосинтеза белка ФСII. Эти гены фага стимулируют производство энергии фотосинтеза инфицированной клеткой как можно дольше, что дает возможность вирусу завершить инфекционный цикл до гибели клетки.
В попытке определить, не отражают ли эти наблюдения редкое явление, характерное только для S-PM2 и индивидуального штамма синехококка, ученые исследовали вирусы порядка Myoviridae и Podoviridae, которые инфицируют близкородственный вид Prochlorococcus. В самом деле, все три фага прохлорококка, выбранные для секвенирования, имели общие гены, кодирующие бактериальные белки D1 и D2 комплекса ФСII, а также ген hli, кодирующий индуцируемый коротковолновым светом белок (Sullivan et al., 2006). В определенных штаммах ученые обнаружили дополнительные бактериальные фотосинтезирующие гены. В то время как все эти гены, несомненно, имели цианобактериальное происхождение, что подтверждается сходством их последовательностей, представляется, что эти гены происходят из разных, хотя и близкородственных видов цианобактерий. Примечательно, что ген hli во множестве копий присутствует в бактериальной хромосоме. Ученые полагают, что горизонтальный перенос гена в геном фага, а затем обратный перенос его из ДНК фага могли сыграть решающую роль в избыточности гена в локусе hli бактериальной хромосомы. Возникает картина переноса бактериальных фотосинтезирующих генов от фага в бактериальный геном и обратно. Очевидна выгода от способности фага кодировать эти дополнительные белки. С другой стороны, можно предположить, что такой обмен генами наглядно демонстрирует процесс генетической диверсификации бактерий, что создает преимущества уже для клетки-хозяина. Этот процесс обеспечивает резервуар генетического разнообразия, приобретенного микробной клеткой, что облегчает быструю адаптивную эволюцию. Такая вариабельность может оказаться выгодной в меняющейся окружающей среде, где постоянно возникают новые виды давления отбора. Приспособление к новым условиям является залогом успешности генома. Конечно, этот процесс не ограничивается генами, отвечающими за фотосинтез, и его можно представить себе и в приложении к генам, которые обеспечивают и другие метаболические функции и способны влиять на то, какие экологические ниши может занимать микроб-реципиент. Можно рассматривать фаги определенного хозяина как расширенный пул генов, потенциальный источник генов для инновационных генетических экспериментов. Представьте себе какой-либо ген, позаимствованный в ходе трансдукции и вступивший в пул генов фага, где этот ген будет подвергаться иному давлению отбора, нежели в исходной клетке-хозяине. Ген претерпит воздействие независимого естественного отбора, когда часть быстро реплицирующегося метагенома бактериофагов будет позднее приобретена тем же или другим микробом-хозяином. Ген сохранится, если докажет свое конкурентное преимущество.
О метагеноме фагов надо думать как о корпоративной программе развития, разработанной «отделом кадров» природы для воспитания генетических талантов. В корпоративной Америке талантливые работники в разное время работают в разных окружениях, в разных географических условиях и выполняют различные профессиональные обязанности, набираются разнообразного опыта и навыков, необходимых для успеха. Такие программы полезны для работника (гена) и приносят пользу компании (организму). Ценность разнообразия в команде признается всеми, и ее активно добиваются американские компании. Разнообразие стимулирует творчество и эффективное решение сложных проблем. Представляется, что такие же принципы работают на биологическом уровне, а носителями этих принципов являются вирусы. Конечно, в моем примере из корпоративного бизнеса сотрудников назначают на должности, последив за их работой, а коллективы (надо надеяться!) тщательно комплектуются отделами кадров и руководством. В природном мире такой предварительной селекции не существует. Мы должны полагать, что отбираются все гены, но остаются только те, которые улучшают функциональность принимающего генома. Это в высшей степени неэффективный процесс, но он может успешно работать в течение того времени, когда число проб адекватно низкой вероятности благоприятного исхода.
Умеренные фаги делают гены расширенного пула доступными для клетки-хозяина благодаря трансдукции фагов. Это особенно важно в условиях изменчивой и потенциально опасной окружающей среды. Зная об этом, ученые стараются наблюдать морские и океанические фаги непосредственно над гидротермальными источниками океанического дна, сравнивая эти фаги с вирусами, обитающими в поверхностных слоях морских вод (Williamson, Cary et al., 2008). Ученые обнаружили свободные частицы фагов над отверстиями горячих вод, там, где смешивается горячая и холодная вода. Исследователи пришли к выводу, что в меняющихся условиях профаги индуцируются с большей частотой, чем в окружающей воде со стабильной температурой. Более того, четверть ДНК-последовательностей в этих частицах принадлежала «темной материи» эти последовательности начисто отсутствуют в базах данных. Виды бактерий и фагов в этих суровых глубоководных условиях должны быть, судя по всему, хранилищем новой адаптивной генетической информации, которая приводится в действие изменчивыми условиями окружающей среды.
Фаги и микробиом
Океанические экосистемы, о которых мы говорили выше, являются домом для миллионов микробов на один миллилитр воды и для в десять раз большего числа вирусов, но наш толстый кишечник еще более густонаселен экосистемой. В этой экосистеме обитают разнообразные и многочисленные микробы, которые в совокупности называют кишечным микробиомом. Один миллилитр человеческих каловых масс в среднем содержит 1013 микробных клеток. После выполнения необходимых расчетов несложно понять, что количество бактериальных клеток в нашем кишечнике, наш микробиом, равно или даже превышает численность клеток нашего собственного организма. В то время как в одном миллилитре морской воды в большинстве морских экосистем содержится в десять раз больше вирусов, чем бактерий, для нашего кишечника эта закономерность не соблюдается. В одном миллилитре каловых масс взрослого человека содержится от 100 миллионов до одного триллиона вирусов. Тем не менее догмат о том, что популяции фагов процветают там, где процветают бактерии, сохраняет свою силу и в кишечнике. Несмотря на относительную малочисленность свободных вирусных частиц в сравнении с численностью бактериальных клеток, умеренные фаги, включенные в результате лизогении в ДНК бактерий, обильно представлены в микробиоме и являются доминирующей формой существования вирусов, инфицирующих бактерии нашего кишечника (De Paepe et al., 2014).
Вирулентные фаги, осуществляющие литическую репликацию в бактериальных клетках, составляют большую часть вирусных частиц, содержащихся в пробах морской воды. Такие фаги наиболее приспособлены к пребыванию в относительно стабильных условиях окружающей среды при неограниченном доступе к крупным, относительно гомогенным популяциям здоровых и быстро размножающихся организмов-жертв. Такие условия существуют в большинстве океанических экосистем. Лизис бактерий и быстрая репликация вирусных частиц не является выигрышной стратегией в кишечнике, где популяции бактерий, обитающих в своем подавляющем большинстве в толстом кишечнике, находятся в состоянии жестокой конкуренции за ограниченные источники питания и часто оказываются недоступными для атаки частицами фага. Поэтому неудивительно, что в кишечнике преобладают умеренные фаги (De Paepe et al., 2014). Врожденная способность этих фагов улавливать физиологический статус своих клеток-хозяев и должным образом на него реагировать позволяет им выбирать не литический, а лизогенный способ существования. Такими их сделал естественный отбор и успех выбранной стратегии, которая и стала доминирующей в кишечнике. Генетические линии, обладающие этой особенностью, стали наиболее успешными в таком микробиоме. Фаги кишечника используют лизогению, потому что этот способ наилучшим образом позволяет сохранить и передать потомкам свой геном в данной капризной экосистеме. Взаимоотношения этой популяции вирусов, часть которых существует в литической форме, а часть пребывает в хромосомных локусах клеток бактерий-хозяев, определенно, оказывают сильное влияние на состав бактериальных популяций кишечника. Нарастающий объем знаний о микробиомах кишечника у здоровых и больных людей указывает на то, что в кишках здорового человека эти микробиомы существуют в состоянии неустойчивого равновесия.
В состав микробной популяции здорового кишечника входят различные классы симбионтов. Некоторые существуют в состоянии симбиотического мутуализма, когда каждый партнер пары получает выгоды от взаимодействия, а другие являются комменсалами, то есть находятся во взаимодействии, когда одна сторона получает выгоду, а другая не получает ощутимого вреда. Есть также микроорганизмы-патобионты, которые вначале могут быть как симбионтами, так и комменсалами, но становятся патогенными, когда нарушается баланс кишечной экосистемы. За последнее десятилетие стало ясно, что нарушение баланса в бактериальной популяции кишечникафеномен, известный под названием дисбактериоза, часто сочетается с болезнью (Clemente et al., 2012; Kaser, Zeissig, Blumberg, 2010). Пока не вполне понятно, какова специфическая роль фагов в поддержании здорового микробиома или в развитии дисбактериоза, но совершенно очевидно, что, по аналогии с их воздействием на морские экосистемы, они могут сильно влиять на численность и состав кишечного микробиома. Эпидемические обострения и лизогения с конверсией фагов, а также высокая вероятность индукции фаговвсе может играть важную роль. Лизогенные фаги могут влиять на бактериальный фенотип и эволюцию бактерий, в то время как индукция фагов (либо как стохастическое событие, либо как ответ на изменение окружающей среды, порождаемое бактериями с лизогенными вирусами) приводит к высвобождению инфекционных частиц и мобилизации генетического материала. Фаги могут также влиять на нашу иммунную систему, которая играет очень активную роль в защите этой нашей самой протяженной «государственной границы». Фаги препятствуют проникновению в кишечник потенциально опасных бактерий, уничтожая их в его просвете (Barr, Youle, Rohwer, 2013). Влияние фагов микробиома не ограничивается их хозяевами, но распространяется также и на хозяина их хозяев.
Мы видели, что динамика отношений хозяинфаг в морских экосистемах подчиняется поведению вирулентных фагов, которые ведут себя так, как предусматривает модель отношений хищникжертва. Эта стратегия в случае фагов и бактерий называется «убить победителя». В такой экосистеме фаги реплицируются литически в здоровых популяциях бактерий до тех пор, пока не происходит истощение популяций, которые теряют способность поддерживать цепь передачи фагов из клетки в клетку. Эпидемия утихает и прекращается. На месте старых микробов начинают размножаться другие, которые, в свою очередь, тоже подвергаются атаке литических фагов. Такие циклы размножения и подавления поддерживают равновесие в микробных экосистемах. Относительная малочисленность свободных частиц фагов в кишечнике в сравнении с числом бактерий говорит о том, что стратегия «убить победителя» здесь неэффективна (во всяком случае, она не является доминирующей модальностью инфицирования бактерий фагами). Нижние отделы толстого кишечника плотно заселены, что создает дефицит питательных веществ для бактерий; бактериальные колонии размножаются медленно и распределены по разным экологическим нишам, которые не всегда доступны для инфицирующих частиц. Бактерии могут быть даже защищены от инфицирования фагами близким соседством кишечной стенки и других структур кишечника или микроскопической пленкой, непроницаемой для фагов. Таким образом, в кишечнике правит бал лизогения, и преобладают умеренные лизогенные фаги.
Недружественная конкуренция
Определенно, фагам кишечной экосистемы выгодно существовать в хромосомах своих хозяев в виде профагов. Бактерии, постоянно обитающие в кишечнике, располагают различными механизмами прикрепления к кишечной стенке, что предотвращает их удаление с калом. Получается, что это выгодно и профагам. Но что можно сказать об их лизогене? Наблюдение за бактериальными геномами и выявление последовательностей оснований, характерных для профагов, приобретаемых в результате горизонтального переноса, говорят о том, что если активность профага не дает никаких селективных преимуществ хозяину, то естественный отбор способствует инактивации профагов (Ochman, Lawrence, Groisman, 2000; Lawrence, Ochman, 1998; Nicholson et al., 2012). Так как крупные популяции лизогенов в микробиомах кишечника имеют профаги в своих геномах, разумно было бы предположить, что бактерии получают какие-то преимущества от присутствия в их геноме профагов. Должно быть, это преимущество перевешивает опасность «ядовитой пилюли», связанную с возможной индукцией фага и смертью клетки-хозяина. Профаги могут быть источником геномного обновления и стимуляции бактериальной эволюции: конверсия фага часто позволяет обеспечивать полезные метаболические функции, которые делают бактерию более конкурентоспособной в ее экологической нише. Лизогения приводит к включению в бактериальную хромосому новой генетической информации путем горизонтального генного переноса, а успешные линии фагов часто переносят гены, обладающие полезными для клетки-хозяина свойствами. Другие фаги отвечают за генерализованную трансдукцию, при которой фрагменты бактериальной хромосомной ДНК включаются в геном фага. Следующий хозяин, становящийся лизогеном под действием такого модифицированного фага, получит не только генетическую информацию фага, но и информацию другой бактериивозможно, другого вида и с новыми метаболическими возможностями. Профаги, которые могут составлять значительную часть идентичности данного вида бактерий (то есть ее уникальность и отличие от родственных штаммов), являются, несомненно, мощными катализаторами приспособительной эволюции и могут стать опорными пунктами генома, служащими посадочной площадкой для новой генетической информации.