Описан новый механизм горизонтального переноса генов бактериофагами

Авторы новой работы, опубликованной в Cell, показали на примере золотистого стафилококка (Staphylococcus aureus), что у бактерий существует новый, ранее не охарактеризованный путь горизонтального переноса генов. Основу этого пути составляют островки патогенности, обозначенные как SaPI, которые при участии фагов-хелперов могут реплицироваться и упаковываться в вирусные частицы и таким образом проникать в другие бактериальные клетки.

Активация профага с переходом к литическому циклу приводит к тому, что образовываются фаговые частицы, содержащие профаг или бактериальную ДНК, причем было известно о трех способах. При специализированной трансдукции в фаговые частицы попадает ДНК профага с соседними хозяйскими генами — результатом неверного вырезания профага. При генерализированной трансдукции фаговые частицы могут содержать любую бактериальную ДНК (хромосомную или плазмидную). При латеральной трансдукции, открытой в 2018 году, профаги перед упаковкой претерпевают двунаправленную репликацию, при этом реплицируется и бактериальная ДНК. Упаковка профага и бактериальной ДНК после репликации происходит in situ. В результате в фаговую частицу попадает несколько килобаз бактериальных генов. Однако, как выяснилось на примере островков патогенности SaPI, есть и еще один способ.

Основной принцип жизненного цикла островков патогенности с упаковкой в вирусные частицы был известен и раньше. Авторы новой работы изучили жизненный цикл этих элементов в деталях. Они продемонстрировали, что SaPI способны к латеральной трансдукции, причем упаковка ДНК SaPI в частицы инициируется самим островком. Более того, подобное поведение характерно для многих островков патогенности SaPI, благодаря которым клетки страфилококка обмениваются между собой бактериальной ДНК, захваченной в вирусную частицу вместе с островком.

Авторы работы подметили, что индукция островков SaPI приводит не только к формированию частиц, содержащих ДНК островка, но и содержащих бактериальную ДНК, захваченную фагом или SaPI. Таким образом, существует два типа трансдуцирующих частиц. Дальнейшее исследование показали, что при новом типе трансдукции — латеральной котрансдукции — чаще всего внутрь одной частицы попадают два островка патогенности.

Активация мобильных элементов в геномах бактерий может происходить во время фаговой инфекции или индукции профага. В случае SaPI, как показали авторы, островки патогенности активируются именно во время заражения литическим фагом, который играет роль хелперного. Ученые также разобрались с молекулярным механизмом латеральной котрансдукции. Оказалось, что разбросанные по бактериальной хромосоме островки SaPI могут быть соединены друг с другом посредством эксцизии (удаления) разделяющих их участков, причем концы разделяющих островки ДНК рекомбинируют друг с другом. Авторы работы выявили геномные сигнатуры переноса генов вирулентности посредством латеральной контрансдукции.

Вирусный вектор на основе бактериофага T4 доставляет ДНК, РНК и белки