Пангеном или почему кишечные палочки такие разные.

Присутствующие в организме кишечные палочки участвуют в пищеварении и препятствуют проникновению в организм патогенов. Однако до 90% случаев инфекции выделительной системы и ряд случаев сепсиса (до 30% в развитых странах), кишечных и других инфекций связано с представителями этого вида. Выделяют различные группы патогенных кишечных палочек: VTEC (веротоксин-продуцирующая Escherichia coli), ETEC (энтеротоксигенная  Escherichia coli), EIEC (энтероинвазивная Escherichia coli), EHEC (энтерогеморрагическая Escherichia coli), EPEC (энтеропатогенная Escherichia coli) и EAEC (энтероадгезивная Escherichia coli). Если такие различия присутствуют на уровне фенотипа, то что можно сказать о генетических различиях внутри вида? В этой статье рассказано о полном геноме и коровом геноме вида E.coli,  и о родственных связях этого вида с такими возбудителями опасных кишечных инфекций, как шигеллы (возбудители дизентерии) и сальмонеллы.

Все имеющиеся в пределах вида/рода гены называют пангеномом. Для многих бактерий характерно присутствие некоторых генов только у отдельных штаммов, а не у всего вида. Поэтому в бактериальном пангеноме, например пангеноме кишечной палочки, можно выделить 3 части: гены, уникальные для единичных штаммов, гены, характерные для групп штаммов, и гены характерные для всех штаммов. Последняя группа называется коровым геномом.

На текущий момент секвенировано почти 200 геномов E. coli. Размер хромосом различных штаммов E. coli может различаться на 1 000 000 пар оснований по объёму. Общий геном вида E. coli можно оценить как 16,373 генов. Чем больше штаммов будет включено в анализ, тем больше будет это количество. В зависимости от числа исследуемых штаммов, количество генов в коровом геноме E.coli включало от 1000 до 3000 генов. Здесь связь обратная – чем больше штаммов изучено, тем больше сужается коровый геном.

Рассмотрим только один конкретный пример, показывающий, как глубоки могут быть различия между штаммами на уровне генома, сравнение одного из штаммов патогенного серотипа О157:Н7 и одного из штаммов, произошедших от комменсального К-12. В геноме штамма патогенной E.coli O157:H7 найдено 177 регионов более 50 пн, отсутствующих у штамма K12. Геном штамма K12 содержит 234 региона более 50 пн, отсутствующих у O157:H7. Общая длина этих регионов больше у H157:O7 и превышает 1,5 Мпн, в то время как общий объём уникальных последовательностей у K12 несколько меньше, и составляет 0,5 Мпн.

Особенностью кишечных палочек (и других бактерий кишечной группы) является то, что пошаговое накопление мутаций крайне редко приводит к появлению новых функций, в то время как полученные горизонтальным переносом гены могут немедленно приводить к освоению новых возможностей. Например, патогенность бактерий кишечной группы связана, в основном, с генами, полученными горизонтальным переносом – так называемыми островами патогенности. В итоге, большая часть различий между кишечной палочкой и сальмонеллами (эти 2 рода разделились около миллиона лет назад) связана с генами, полученными при горизонтальном переносе, а так же с утратой генов

Возраст привнесённой последовательности можно проследить по накоплению изменений, в частности, связанных с тем, что последовательность постепенно приобретает содержание GC, характерное для генома, в который она встроилась. Скорость накопления изменений в полученных генах сопоставима со скоростью изменения собственных нуклеотидных последовательностей. 100-140 миллионов лет назад в геноме сальмонелл появился остров патогенности, обуславливающие способность этого патогена проникать в клетки. Первый эпизод горизонтального переноса у кишечных палочек произошёл примерно тогда же, и первые полученные гены, возможно, внесли вклад в дивергенцию E.coli от сальмонелл.

Ряд последовательностей, полученных путём горизонтального переноса, содержат инсерционные элементы и профаги, то есть, в них нет генов, дающих новые преимущества. Интересно, что такими являются в основном последовательности, полученные во времена, более приближенный к сегодняшнему дню.

Исследование шигелл показало, что нет таких специфичных генов шигеллы, которых не было бы найдено у кишечных палочек, что так же ставит под вопрос разделение этих организмов в два различных рода. Однако даже если группа шигелл может оказаться полифилитической, их всех объединяют сходные фенотипические признаки, и, вероятно, есть смысл придерживаться старой системы из практических соображений.

Ряд генетических исследований, проведённых с целью понимания родственных взаимоотношений кишечных палочек и шигелл, показали, что их практически невозможно разделить в различные группы на основании геномных характеристик. Есть две гипотезы происхождения шигелл. Первая из  них утверждает, что гены, обуславливающие возникновение у шигелл их характерных патогенных свойств были получены ими в результате одного события горизонтального переноса, в одной плазмиде, а вторая предполагает, что данные гены были приобретены трижды, причём независимо у разных микроорганизмов, которые теперь объединены в род Shigella. Интересно, что сейчас есть данные, подтверждающие обе гипотезы. В то же время, несмотря на интенсивный горизонтальный перенос, кишечная палочка и S. enterica сохраняют видоспецифичные наборы генов.