Introduktion
Den lille gyldne mantella-frø ligger på et blad i regnskoven og rummer en hemmelighed. Den deler den hemmelighed med den gaffeltunge frø, rørfrøen og utallige andre frøer i bakkerne og skovene i ø-nationen Madagaskar, såvel som med boaerne og andre slanger, der forgriber sig på dem. På denne ø, hvor mange af deres dyrearter ikke forekommer andre steder, har genetikere for nylig gjort en overraskende opdagelse: Stænket gennem frøernes genom er et gen, BovB, der tilsyneladende kom fra slanger.
Efter at have undersøgt genomer fra frø- og slangearter rundt om i verden, rapporterede forskerne i april i et papir in Molekylærbiologi og evolution at dette gen på en eller anden måde har rejst fra slanger til frøer mindst 50 gange over hele planeten. Men på Madagaskar har den sat sig ind i frøer med forbløffende promiskuitet: 91 % af de frøarter, der blev udtaget der, har det. Noget ser ud til at gøre Madagaskar til et usædvanligt befordrende sted for genet at blive mobilt.
Hvornår Atsushi Kurabayashi, en lektor ved Nagahama Institute of Bio-Science and Technology og seniorforfatter af det nye papir, så først slangeversionen af genet i frøer, blev han forvirret. Han spurgte en kollega, der er specialiseret i genomics om det, og kollegaen råbte straks: "Det må være horisontal overførsel!" — overførsel af et gen fra en art til en anden i modsætning til den vertikale nedarvning af gener fra et barn fra en forælder.
Dette udbrud sendte Kurabayashi på sporet af et fænomen, der engang ansås for at være overordentlig sjældent, selvom stigningen i bedre genomisk sekventering har fået biologer til at revurdere denne udtalelse. Og dette nye papir, som viser, at horisontal overførsel af gener kan være mere sandsynlig nogle steder end andre, komplicerer historien endnu mere. Det tyder på, at når forskere søger forklaringer på horisontale overførsler, kan det være nødvendigt at se ud over simple genetiske mekanismer til de økologiske sammenhænge, som arter lever i. Genomikere kæmper stadig for at forstå, hvor almindelige eller sjældne horisontale overførsler er i komplekse organismer, men nogle steder, som Madagaskar, kan være hot spots for dem.
Introduktion
Når gener vandrer
Horisontal overførsel er almindelig hos bakterier. De myldrende encellede organismer, der befolker næsten alle afkroge på planeten, opfanger gener fra deres miljø lige så let, som en fnugbørste opfanger kattehår. Det er en af grundene til, at bakteriel resistens over for antibiotika er udbredt: Beskyttende gener sendes let rundt, og naturlig selektion sikrer, at de resistente bakterier udkonkurrerer deres naboer og sender deres gener videre til næste generation. Bakterier udveksler gener så let, at nogle videnskabsmænd endda har foreslået, at bakterier dannes et net af beslægtet liv snarere end et forgrenet stamtræ.
Cellerne i eukaryote organismer som mennesker, frøer og slanger er imidlertid forskellige. Deres cellekerne virker normalt som en fæstning til at beskytte genomet. DNA'et er omhyggeligt viklet op og opbevaret i det citadels bibliotek, med enzymer, der kun fremkalder de gener, de skal undersøge på et givet tidspunkt. Cellen er fyldt med fejlsikrede for at forhindre beskadigelse af dens DNA og for at reparere slid og ælde. Hvis genomet er som et uvurderligt oplyst manuskript, bærer dets bibliotekarer sværd.
Ikke desto mindre bliver eksempler på horisontale genoverførsler, der involverer eukaryoter, ved med at sive ind i den videnskabelige litteratur. Sild og smelter, ikke-beslægtede fisk, der svømmer i det iskolde vand i Arktis, det nordlige Stillehav og det nordlige Atlanterhav, har præcis det samme gen for et protein, der forhindrer deres blod i at fryse; den sprang sandsynligvis fra sild til smelter. Laurie Graham, en molekylærbiolog ved Queen's University i Canada, og hendes kolleger rapporterede det sidste år; deres resultater var så kontraintuitive, at Graham havde svært ved at få værket offentliggjort.
Tilsvarende evolutionsbiologen Etienne GJ Danchin og hans kolleger ved National Research Institute for Agriculture, Food and Environment i Frankrig studerer en række enzymer at nematodeorme fik fra bakterier. Og over 100 genfamilier ser ud til at være gået fra mikrober til planter for længe siden, skrev Jinling Huang fra Eastern Carolina University og kolleger i et papir dette år.
Der er smukt klare grunde til, at evolutionen smilede til nogle af disse usandsynlige overførsler. Fiskene med genet fryser ikke. Nematodernes fordøjelsesenzymer gør dem i stand til at vride mere energi fra cellevæggene på de planter, de spiser. På grund af en klynge af enzymer opsamlet fra bakterier, er de røde alger, der bor i varme kilder, undersøgt af den evolutionære biolog Debashish Bhattacharya og hans elev Julia Van Etten på Rutgers University kan overleve kontakt med stoffer, der ellers ville dræbe dem. Hvis et gen booster overlevelsen, tager det ikke lang tid, før efterkommerne af den første organisme til at erhverve det tager over.
Ikke alle disse omvandrende gener giver dog nødvendigvis en fordel. BovB er en velkendt transposon, en rest af genetisk materiale, der er tilbøjelig til at springe tilfældigt rundt i genomet. På en måde er dets spring fra slanger til frøer på Madagaskar - hvordan de end skete - bare bizart større spring end normalt. Desuden, selv om transposoner kan have dyb indvirkning på genomer, BovB er ikke et gen med en funktion i traditionel forstand; det er bare en smule DNA, der laver kopier af sig selv. Kurabayashi bemærker, at selvom muligheden for, at BovB gavnet frøerne ikke kan udelukkes, er det mere sandsynligt, at BovB fortsætter gennem sin egen aggressive succes med selvduplikering. Dette kan være med til at forklare, hvorfor det er, at når eukaryoter ender med andre organismers genetiske materiale, transposoner som BovB er ofte involveret.
Hvor mærkeligt det end kan virke for eukaryoter at opfange gener fra bakterier, så mærkeligt er det, at eksempler på horisontal genoverførsel i den anden retning er langt sjældnere. Af en eller anden grund vil bakterier ikke have vores gener. Eukaryote gener har strukturelle træk, der gør dem til mindre end perfekt materiale til bakterier, men der kan også være andre medvirkende faktorer.
"Måske har eukaryoter ikke de gener, som bakterier er interesserede i," sagde Patrick Keeling, en biolog ved University of British Columbia, der studerer horisontale overførsler.
Bliver viral
I modsætning til bakterier har vira en reel evne til at opfange gener fra deres eukaryote værter. Vira, især dem, der kaldes retrovira, har værktøjerne til at komme ind i en værts celler og kerner, og de er mestre i at indsætte genetisk materiale i værtens genomer. Op til 8 % af det menneskelige genom består af rester af retrovira, fragmenter af infektioner, der er for længst tilbage i vores arts historie.
Nogle gange går overførslen også den anden vej. I et papir offentliggjort i Natur Mikrobiologi sidste december, Keeling, hans samarbejdspartner Nicholas Irwin fra University of Oxford og deres kolleger udførte den første omfattende analyse af horisontale genoverførsler mellem 201 eukaryoter og 108,842 vira. De fandt beviser for mere end 6,700 genoverførsler, med vært-til-virus-overførsler omkring dobbelt så almindelige som virus-til-vært-overførsler. De konkluderede, at horisontale genoverførsler havde været væsentlige drivkræfter bag evolutionen på begge sider: Vira brugte ofte de eukaryote gener, de erhvervede til at blive mere effektive til at inficere deres værter, mens eukaryoter undertiden brugte elementer af de virale gener til at skabe nye træk eller til at regulere deres stofskifte på nye måder.
Fund som disse har overbevist nogle biologer om, at i det mindste nogle horisontale genoverførsler kan lettes af vira. Hvis vira kan opfange gener fra deres værter, og hvis de kan efterlade stykker af deres genomer, ser det ud til, at de også nogle gange kan overhale gener fra den sidste vært, de inficerede, eller endda en fra generationer siden, og give dem til en ny vært.
Involvering af vira kan også hjælpe med at løse et andet puslespil om horisontale overførsler i eukaryoter. For at overførslerne kan finde sted, skal de rejsende gener klare en hel række forhindringer. Først skal de komme fra donorarten til den nye værtsart. Så skal de komme ind i kernen og indlejre sig i værtsgenomet. Men at komme ind i genomet af en hvilken som helst celle vil ikke gøre det: I flercellede væsner som frøer og sild vil et gen ikke blive videregivet til dyrets afkom, medmindre det kan snige sig ind i en kimcelle - en sæd eller et æg.
Virus kan gøre denne række af begivenheder mere sandsynlige. I små organismer som nematoden, sagde Danchin, er reproduktionskanalen og dens kønsceller ikke langt fra tarmkanalen, hvor vira indtaget på mad kan sætte sig. Fordi frøer frigiver deres æg og sæd i det åbne vand, er disse celler potentielt sårbare over for vira i miljøet, der kan glide ind i gener.
Selv med større væsner kan det være nemmere, end du tror. På dette tidspunkt er det stadig en spekulativ idé, men "reproduktionskanalen er fuld af mikrober og vira," sagde Danchin. "Vi ved, at nogle vira inficerer specifikt kimceller."
Keeling foreslår, at for at forstå mysteriet med horisontal genoverførsel, burde vi måske tænke på dem som økologiske konsekvenser af en organismes adfærd, dens naboer og dens miljø. Hvis et vandret overført gen giver nogen overlevelsesfordel, er det sandsynligvis meget afhængigt af det specifikke scenarie, hvor modtageren af genet befinder sig - et iskoldt hav, en varm kilde, en appetitlig værtsplante med hårdt forsvar. "De er så bundet til økologien, hvor den ting er, men den ændrer sig," spekulerede han. Med det forkerte skift i miljøet er det overførte gen "ikke længere fordelagtigt, og det er tabt."
Økologiske spor
Horisontale genoverførsler i eukaryoter kan ske hele tiden: i dammen i din baghave, i jorden under dine fødder, i dyrene, insekter og planter, der udgør økosystemet. "Jeg tror, der er langt mere overførsel, end vi ved," sagde Bhattacharya. "Vi ser dem bare ikke, fordi de er fejet ud."
For at tjekke, hvor almindeligt det er, at frøer har en slange BovB, nåede Kurabayashis team ud til deres kolleger for at få prøver af frøer fra hele verden til DNA-sekventering. De fandt ud af, at ud af 149 arter kom 50 tilbage med BovB. De 32 madagaskiske frøer, som de testede, udgjorde mindre end en fjerdedel af alle de prøvede arter, men 29 af dem bar slangegenet - et klart flertal af alle overførsler fundet rundt om i verden. Desuden erhvervede mindst to af frøerne ikke BovB indtil efter deres forfædre migrerede fra Afrika til Madagaskar.
Det mest interessante ved avisen, sagde Graham, "er, at det viser, at overførselshastigheden ikke er ensartet. Det varierer meget mellem geografiske regioner." Hvis flere undersøgelser sætter ud med det mål at se på genoverførsel rundt om i verden - at se om overførsler er sket med forskellige hastigheder forskellige steder - kan det, vi finder, overraske os. Måske betyder geografi mere, end vi kunne forvente.
Er der noget ved Madagaskars miljø, der gør det til et hot spot for genoverførsler? Ingen ved. Kurabayashi siger, at han og hans gruppe har den stærkeste mistanke om, at slangen BovB på Madagaskar adskiller sig fra versioner andre steder i verden ved at være en lille smule bedre til at blive en ny vært.
Men overfloden af parasitter på øen kan også være en medvirkende faktor. For eksempel, "på Madagaskar er der masser af igler," sagde Miguel Vences, en herpetolog ved Braunschweig University of Technology i Tyskland og forfatter til det nye papir. "Hvis du er i regnskoven, vil du bemærke dem." De blodsugende væsner lever af mange typer dyr, inklusive frøer og slanger, og de er ikke over prøveudtagning af mennesker. Vences og hans kolleger spekulerer i, at igler kan bringe blod, der indeholder slangens springgen, ind i frøerne, eller måske er det springende gen allerede i iglens eget genom fra tidligere kontakter med slanger. Så klarer måske en uidentificeret virus resten.
Desværre er det ikke let at bevise eller modbevise scenarier, der beskriver, hvordan sådanne horisontale overførsler kan have fundet sted. Uden selektion for at bevare DNA-sekvenser har de en tendens til at mutere og blive forvrænget over lange stræk af tid, hvilket sletter de molekylære beviser for en overførsel. Og hvis en virus er involveret i overførslen, kan det efterlade meget få beviser i første omgang, sagde Graham. Forskere kan derfor næsten være nødt til at fange et genetisk spring på fersk gerning for at vide, hvordan det foregår.
Bhattacharya er i de tidlige stadier af et projekt, der sigter mod at gøre netop det. I de varme kilder ved Lemonade Creek i Yellowstone National Park leder han og hans kolleger efter tegn på overførsler, som måske stadig er ved at tage fat. De studerer DNA fra røde alger, der har opsamlet gener fra bakterier, der også lever i kilderne, gener, der kun har små forskelle fra de originale. "Vi taler ikke om millioner af år siden," sagde Bhattacharya. "Vi taler om DNA, der er meget ens, som eksisterer side om side i to forskellige livsdomæner, i det samme miljø."
Hvis forskerne finder ud af, at alger i nærliggende kilder mangler nogen af disse overførte gener, så kan de være vidne til begyndelsen på en krusning af genetiske ændringer, der bevæger sig udad gennem algerne, fra den ene nabokilde til den næste. Hver ny varm pool kan være en ø på randen af en forvandling.
