Роль горизонтального переноса генов (HGT) в эволюции прокариот — кратко:
- HGT обеспечивает быстрый обмен генетической информацией между неродственными таксонами, давая мгновенное появление новых признаков (метаболических путей, резистентности, факторов вирулентности) без длительной вертикальной эволюции.
- В результате формируются «пан‑геномы» видов (ядро + приращиваемый набор мобильных генов), что увеличивает экологическую пластичность и скорость адаптации.
Механизмы:
- трансформация (захват свободной ДНК),
- конъюгация (передача плазмидами через контакты),
- трансдукция (бактериофаги переносят ДНК),
- мобильные элементы (плазмиды, транспозоны, интегроны, патогенные/симбиотические островки).
Эволюционные эффекты (кратко):
- быстрое освоение новых ниш (новые субстраты, среда),
- появление и распространение антибиотикорезистентности,
- возникновение и усиление патогенности (приобретение токсинов, системы секреции),
- геномная диверсификация и рекомбинация, снижение корреляции генетической и экологической близости.
Конкретные примеры, где HGT изменил нишу или патогенность:
- Vibrio cholerae: вовлечение бациллофага CTXφ, который несёт гены холерного токсина — появление высокопатогенных штаммов, способных вызывать холеру у человека.
- Escherichia coli (EHEC/EPEC): приобретение патогенных островков и бактериофагов, кодирующих шигатоксины и адгезионные системы — переход от комменсала к энтеропатогену.
- Staphylococcus aureus (MRSA): интеграция мобильного кассета SCCmec с геном mecA — устойчивость к метициллину и расширение выживаемости в клинической среде.
- Плазмидно‑опосредованная антибиотикорезистентность (напр., бета‑лактамазы, карбапенемазы типа NDM): перенос плазмидов между видами грам‑отрицательных бактерий приводит к быстрому распространению мультирезистентных патогенов.
- Rhizobia (симбиотические бактерии): перенос симплазмидов/островков nod/nis позволяет неспецифическим бактериям приобрести способность образовывать узелки и фиксировать азот — расширение ниши к симбиозу с бобовыми.
- Bacteroides plebeius в человеческом кишечнике у некоторых японских популяций: приобретение гена порифаназы от морских бактерий позволило эффективно расщеплять агар/пороваран из морских водорослей — пример культурно‑опосредованного расширения пищевой ниши.
- Thermotoga spp.: значительная доля генов (оценки порядка $\sim 20\%$) имеет архейное происхождение — пример HGT, способствующего адаптации к термофильному образу жизни.
Ключевая мысль: HGT действует как ускоритель эволюции у прокариот, позволяя оперативно менять экологические роли и патогенные свойства за счёт мобильных генов, что имеет прямые последствия для экологии, сельского хозяйства и медицины.