المُقدّمة
تطفو ضفدع مانتيلا الذهبي الصغير على ورقة في الغابة المطيرة ، ويختبئ سرًا. تشترك في هذا السر مع الضفدع ذي اللسان المتشعب ، والضفدع القصب وعدد لا يحصى من الضفادع الأخرى في التلال والغابات في جزيرة مدغشقر ، وكذلك مع البواء والثعابين الأخرى التي تفترسها. في هذه الجزيرة ، التي لا توجد العديد من أنواعها الحيوانية في أي مكان آخر ، قام علماء الوراثة مؤخرًا باكتشاف مفاجئ: يتم رش الجين عبر جينومات الضفادع ، بوفب، التي يبدو أنها جاءت من الثعابين.
أفاد العلماء في أبريل / نيسان الماضي ، بعد فحص الجينوم من أنواع الضفادع والثعابين حول العالم ورقة in علم الأحياء الجزيئي وتطور أن هذا الجين قد انتقل بطريقة ما من الثعابين إلى الضفادع 50 مرة على الأقل في جميع أنحاء الكوكب. لكن في مدغشقر ، أدخلت نفسها في الضفادع مع اختلاط مذهل: 91 ٪ من أنواع الضفادع التي تم أخذ عينات منها هناك لديها ذلك. يبدو أن شيئًا ما يجعل مدغشقر مكانًا ملائمًا بشكل استثنائي للجين لينتقل.
متى أتسوشي كوراباياشي، وهو أستاذ مشارك في معهد Nagahama للعلوم الحيوية والتكنولوجيا وكبير مؤلفي البحث الجديد ، رأى لأول مرة نسخة الثعبان من الجين في الضفادع ، فقد شعر بالحيرة. سأل زميلًا متخصصًا في علم الجينوم عن ذلك ، فصرخ الزميل على الفور ، "يجب أن يكون النقل أفقيًا!" - نقل الجين من نوع إلى آخر ، على عكس الميراث الرأسي للجينات من قبل الطفل من أحد الوالدين.
دفع هذا الانفجار كوراباياشي إلى تتبع ظاهرة كان يُعتقد في السابق أنها نادرة للغاية ، على الرغم من أن ظهور التسلسل الجيني الأفضل جعل علماء الأحياء يعيدون تقييم هذا الرأي. وهذه الورقة الجديدة ، التي تظهر أن النقل الأفقي للجينات قد يكون أكثر احتمالا في بعض الأماكن من غيرها ، مما يعقد القصة أكثر. يقترح أنه عند البحث عن تفسيرات لعمليات النقل الأفقية ، قد يحتاج الباحثون إلى النظر إلى ما وراء الآليات الجينية البسيطة للسياقات البيئية التي تعيش فيها الأنواع. لا يزال علماء الجينوم يكافحون لفهم مدى شيوع أو ندرة عمليات النقل الأفقي في الكائنات الحية المعقدة ، لكن بعض الأماكن ، مثل مدغشقر ، قد تكون مناطق ساخنة بالنسبة لهم.
المُقدّمة
عندما تتجول الجينات
النقل الأفقي شائع في البكتيريا. الكائنات وحيدة الخلية المزدحمة التي تسكن كل مخبأ على الكوكب تقريبًا تلتقط الجينات من بيئتها بسهولة كما تلتقط فرشاة الوبر شعر القطط. هذا أحد أسباب انتشار مقاومة البكتيريا للمضادات الحيوية: يتم تمرير الجينات الواقية بسهولة ، ويضمن الانتقاء الطبيعي أن تتفوق البكتيريا المقاومة على جيرانها وتمرير جيناتها إلى الجيل التالي. تتبادل البكتيريا الجينات بسهولة لدرجة أن بعض العلماء اقترحوا أن تتكون البكتيريا شبكة من الحياة ذات الصلة بدلاً من شجرة عائلة متفرعة.
ومع ذلك ، فإن خلايا الكائنات حقيقية النواة مثل البشر والضفادع والثعابين مختلفة. نواة خليتهم تبدو عادة كحصن لحماية الجينوم. يتم لف الحمض النووي وتخزينه بعناية في مكتبة تلك القلعة ، مع الإنزيمات التي تستدعي فقط الجينات التي يحتاجون لفحصها في أي وقت. يتم تحميل الخلية بأمان من الفشل لمنع تلف الحمض النووي الخاص بها ولإصلاح التآكل والتلف. إذا كان الجينوم مثل مخطوطة مضيئة لا تقدر بثمن ، فإن أمناء مكتبتها يحملون السيوف.
ومع ذلك ، فإن الأمثلة على عمليات نقل الجينات الأفقية التي تنطوي على حقيقيات النوى لا تزال تتدفق في الأدبيات العلمية. أسماك الرنجة والصهر ، وهي أسماك لا علاقة لها تسبح في المياه الجليدية في القطب الشمالي وشمال المحيط الهادئ وشمال المحيط الأطلسي ، لديها بالضبط نفس الجين لبروتين يحافظ على دمائهم من التجمد ؛ من المحتمل أن تكون قفزت من الرنجة إلى المصاهر. لوري جراهام، عالمة الأحياء الجزيئية في جامعة كوينز في كندا ، وزملاؤها أبلغوا عن ذلك العام الماضي ؛ كانت النتائج التي توصلوا إليها منافية للبديهة لدرجة أن غراهام واجه صعوبة في نشر العمل.
وبالمثل ، فإن عالم الأحياء التطوري إتيان جي جي دانشين وزملاؤه في المعهد الوطني لبحوث الزراعة والغذاء والبيئة في فرنسا يدرسون مجموعة من الإنزيمات التي حصلت عليها الديدان الخيطية من البكتيريا. وكتبت أن أكثر من 100 عائلة جينية يبدو أنها قفزت من الميكروبات إلى النباتات منذ فترة طويلة جينلينغ هوانغ من جامعة إيسترن كارولينا وزملائه في ورقة هذا العام.
هناك أسباب واضحة بشكل جميل لماذا ابتسم التطور لبعض هذه الانتقالات غير المحتملة. الأسماك مع الجين لا تتجمد. تمكن الإنزيمات الهضمية للديدان الخيطية من انتزاع المزيد من الطاقة من جدران الخلايا للنباتات التي تأكلها. بسبب مجموعة من الإنزيمات المأخوذة من البكتيريا ، قام عالم الأحياء التطوري بدراسة الطحالب الحمراء التي تعيش في الينابيع الساخنة ديباشيش بهاتاشاريا وتلميذه جوليا فان إيتن في جامعة روتجرز يمكنه البقاء على قيد الحياة من ملامسة المواد التي من شأنها قتلهم. إذا عزز الجين البقاء على قيد الحياة ، فلن يستغرق الأمر وقتًا طويلاً قبل أن يتولى أحفاد الكائن الحي الأول السيطرة عليه.
ومع ذلك ، لا تعطي كل هذه الجينات المتجولة ميزة بالضرورة. بوفب هو ترانسبوزون معروف ، وهو عبارة عن قطعة من مادة وراثية تميل للقفز العشوائي حول الجينوم. بطريقة ما ، فإن قفزه من الثعابين إلى الضفادع في مدغشقر - مهما حدث - هو مجرد قفزات أكبر بشكل غريب من المعتاد. علاوة على ذلك ، على الرغم من أن الينقولات يمكن أن يكون لها تأثيرات عميقة على الجينوم, بوفب ليس جينًا له وظيفة بالمعنى التقليدي ؛ إنه مجرد القليل من الحمض النووي الذي يصنع نسخًا من نفسه. كوراباياشي يلاحظ أنه على الرغم من احتمال أن بوفب استفاد لا يمكن استبعاد الضفادع ، فمن الأرجح أن بوفب تستمر من خلال نجاحها العدواني في الازدواجية الذاتية. قد يساعد هذا في تفسير السبب في أنه عندما تنتهي حقيقيات النوى بالمواد الوراثية لكائنات أخرى ، الينقولات مثل بوفب غالبًا ما تكون متورطة.
قد يبدو من الغريب أن تلتقط حقيقيات النوى الجينات من البكتيريا ، إلا أن حقيقة أن أمثلة نقل الجينات الأفقي في الاتجاه الآخر نادرة للغاية. لسبب ما ، لا تريد البكتيريا جيناتنا. تمتلك جينات حقيقيات النوى سمات هيكلية تجعلها أقل من مادة مثالية للبكتيريا ، ولكن قد تكون هناك عوامل أخرى مساهمة أيضًا.
قال "ربما لا تحتوي حقيقيات النوى على الجينات التي تهتم بها البكتيريا" باتريك كيلينغ، عالم أحياء بجامعة كولومبيا البريطانية يدرس التحويلات الأفقية.
الذهاب الفيروسية
على عكس البكتيريا ، تمتلك الفيروسات موهبة حقيقية لالتقاط الجينات من مضيفي حقيقيات النوى. تمتلك الفيروسات ، وخاصة تلك التي تسمى الفيروسات القهقرية ، الأدوات اللازمة للوصول إلى خلايا ونواة المضيف ، كما أنها تتقن إدخال المادة الجينية في جينومات المضيف. يتكون ما يصل إلى 8٪ من الجينوم البشري من بقايا الفيروسات القهقرية ، وهي أجزاء من عدوى قديمة في تاريخ جنسنا البشري.
أحيانًا يسير النقل في الاتجاه الآخر أيضًا. في ورقة نشرت في طبيعة علم الأحياء الدقيقة في كانون الأول (ديسمبر) الماضي ، كيلينغ ، مساعده نيكولاس ايروين من جامعة أكسفورد وزملاؤهم أول تحليل شامل لنقل الجينات الأفقية بين 201 من حقيقيات النوى و 108,842 فيروسًا. ووجدوا دليلاً على أكثر من 6,700 عملية نقل جينية ، مع عمليات نقل من مضيف إلى آخر بمعدل ضعف شيوع عمليات نقل الفيروس إلى مضيف. وخلصوا إلى أن عمليات نقل الجينات الأفقية كانت الدافع الرئيسي للتطور على كلا الجانبين: غالبًا ما تستخدم الفيروسات الجينات حقيقية النواة التي اكتسبتها لتصبح أكثر فاعلية في إصابة مضيفيها ، بينما تستخدم حقيقيات النوى أحيانًا عناصر من الجينات الفيروسية لإنشاء ميزات جديدة أو لتنظيمها. الأيض بطرق جديدة.
لقد أقنعت مثل هذه النتائج بعض علماء الأحياء بأن بعض عمليات نقل الجينات الأفقية على الأقل قد تسهلها الفيروسات. إذا تمكنت الفيروسات من التقاط الجينات من مضيفيها ، وإذا كان بإمكانها ترك أجزاء من جينوماتها ورائها ، فمن المحتمل أيضًا أنها تستطيع أحيانًا نقل الجينات من آخر مضيف أصابته ، أو حتى واحد من أجيال مضت ، ومنحها إلى مضيف جديد.
يمكن أن يساعد تورط الفيروسات أيضًا في حل لغز آخر حول عمليات النقل الأفقية في حقيقيات النوى. لكي تحدث عمليات النقل ، تحتاج الجينات المتنقلة إلى إزالة سلسلة كاملة من العقبات. أولاً يجب أن ينتقلوا من الأنواع المانحة إلى الأنواع المضيفة الجديدة. ثم يجب أن يدخلوا النواة ويختبئون في الجينوم المضيف. لكن الدخول في جينوم أي خلية لن يفيد: في الكائنات متعددة الخلايا مثل الضفادع والرنجة ، لن ينتقل الجين إلى نسل الحيوان ما لم يتسلل إلى خلية سلالة جرثومية - نطفة أو بويضة.
قد تزيد الفيروسات من احتمالية حدوث هذه السلسلة من الأحداث. قال دانشين إنه في الكائنات الحية الصغيرة مثل الديدان الخيطية ، فإن الجهاز التناسلي وخلاياها الجرثومية ليست بعيدة عن القناة المعوية ، حيث يمكن للفيروسات التي يتم تناولها على الطعام أن تستقر. نظرًا لأن الضفادع تطلق بيضها وحيواناتها المنوية في المياه المفتوحة ، فمن المحتمل أن تكون هذه الخلايا عرضة للفيروسات في البيئة التي يمكن أن تنزلق في الجينات.
حتى مع المخلوقات الأكبر ، قد يكون الأمر أسهل مما تعتقد. في هذه المرحلة ، لا تزال الفكرة تأملية ، لكن "الجهاز التناسلي مليء بالميكروبات والفيروسات" ، كما قال دانشين. "نحن نعلم أن بعض الفيروسات تصيب الخلايا الجرثومية على وجه التحديد."
يقترح كيلينغ أنه لفهم لغز نقل الجينات الأفقي ، ربما يجب أن نفكر فيها على أنها عواقب بيئية لسلوكيات الكائن الحي وجيرانه وبيئته. إذا كان الجين المنقول أفقيًا يمنح أي فائدة للبقاء على قيد الحياة ، فمن المحتمل أن يكون مرتبطًا بشكل كبير بالسيناريو المحدد الذي يجد فيه متلقي الجين نفسه - بحر جليدي ، ينبوع حار ، نبات مضيف فاتح للشهية مع دفاعات قوية. وتكهن قائلاً: "إنهم مرتبطون جدًا بالبيئة حيث يوجد هذا الشيء ، لكنه يتغير". مع التحول الخاطئ في البيئة ، "لم يعد الجين المنقول مفيدًا ، ويتم فقده".
القرائن البيئية
قد تحدث عمليات نقل الجينات الأفقية في حقيقيات النوى طوال الوقت: في البركة في الفناء الخلفي الخاص بك ، في التربة تحت قدميك ، في الحيوانات والحشرات والنباتات التي تشكل النظام البيئي. قال بهاتاشاريا: "أعتقد أن هناك انتقالات أكثر مما نعرف". "نحن فقط لا نراهم لأنهم جرفوا".
للتحقق من مدى شيوع وجود ثعبان في الضفادع بوفب، قام فريق كوراباياشي بالتواصل مع زملائهم للحصول على عينات من الضفادع من جميع أنحاء العالم لتسلسل الحمض النووي. وجدوا أنه من بين 149 نوعًا ، عادت 50 نوعًا بوفب. شكلت الضفادع الملغاشية البالغ عددها 32 التي قاموا باختبارها أقل من ربع جميع الأنواع المأخوذة منها ، لكن 29 منها حملت جين الثعبان - وهي أغلبية واضحة من جميع عمليات النقل التي تم العثور عليها في جميع أنحاء العالم. علاوة على ذلك ، لم يكتسب اثنان على الأقل من سلالات الضفادع بوفب حتى بعد هجرة أسلافهم من إفريقيا إلى مدغشقر.
قال جراهام إن الشيء الأكثر إثارة للاهتمام في الجريدة هو أنها تبين أن معدل النقل ليس موحدًا. وهي تختلف على نطاق واسع بين المناطق الجغرافية ". إذا تم إجراء المزيد من الدراسات بهدف النظر في نقل الجينات حول العالم - معرفة ما إذا كانت عمليات النقل قد حدثت بمعدلات مختلفة في أماكن مختلفة - فإن ما نجده قد يفاجئنا. ربما تكون الجغرافيا أكثر أهمية مما قد نتوقعه.
هل هناك شيء ما في بيئة مدغشقر يجعلها بقعة ساخنة لنقل الجينات؟ لا أحد يعلم. يقول كوراباياشي إنه يشك ومجموعته بشدة في أن الثعبان بوفب يختلف في مدغشقر عن النسخ الأخرى في العالم في كونه أفضل قليلاً في الحصول على مضيف جديد.
لكن وفرة الطفيليات في الجزيرة قد تكون أيضًا عاملاً مساهماً. على سبيل المثال ، "في مدغشقر ، هناك الكثير من العلق" ميغيل فنسز، عالم الزواحف في جامعة براونشفايغ للتكنولوجيا في ألمانيا ومؤلف الورقة البحثية الجديدة. "إذا كنت في الغابة المطيرة ، فستلاحظهم." تتغذى الكائنات الماصة للدماء على أنواع كثيرة من الحيوانات ، بما في ذلك الضفادع والثعابين ، وهي ليست أعلى من أخذ عينات من البشر. يتكهن فنسز وزملاؤه بأن العلقات قد تجلب دمًا يحتوي على جين قفز الثعبان إلى الضفادع ، أو ربما يكون الجين القافز موجودًا بالفعل في جينوم العلقة من اتصالات سابقة مع الثعابين. ثم ربما يقوم فيروس مجهول بالباقي.
لسوء الحظ ، ليس من السهل إثبات أو دحض السيناريوهات التي تصف كيفية حدوث مثل هذه التحويلات الأفقية. بدون الاختيار للحفاظ على تسلسل الحمض النووي ، فإنها تميل إلى التحور والتشويش على فترات طويلة من الزمن ، مما يمحو الدليل الجزيئي على النقل. وقال جراهام إنه إذا كان الفيروس متورطًا في عملية النقل ، فقد يترك القليل جدًا من الأدلة في المقام الأول. لذلك قد يحتاج الباحثون تقريبًا إلى اكتشاف قفزة جينية في الفعل لمعرفة كيف يحدث ذلك.
باتتشاريا في المراحل الأولى من مشروع يهدف إلى القيام بذلك. في الينابيع الساخنة في Lemonade Creek في منتزه يلوستون الوطني ، يبحث هو وزملاؤه عن مؤشرات على عمليات نقل ربما لا تزال في طور الترسخ. إنهم يدرسون الحمض النووي للطحالب الحمراء التي التقطت جينات من البكتيريا التي تعيش أيضًا في الينابيع ، وهي جينات تحمل اختلافات صغيرة فقط عن الجينات الأصلية. قال بهاتاشاريا: "نحن لا نتحدث عن ملايين السنين". "نحن نتحدث عن الحمض النووي المتشابه للغاية ، والذي يتعايش في مجالين مختلفين من الحياة ، في نفس البيئة."
إذا وجد العلماء أن الطحالب في الينابيع المجاورة تفتقر إلى أي من هذه الجينات المنقولة ، فقد يكونون قد شهدوا بداية موجة من التغيير الجيني تتحرك للخارج عبر الطحالب ، من نبع مجاور إلى آخر. قد يكون كل حمام سباحة ساخن جديد جزيرة على وشك التحول.
