Sissejuhatus
Vihmametsas lehtedel istuv tilluke kuldne mantelkonn peidab endas saladust. Ta jagab seda saladust kahvlikuelelise konna, pilliroo konna ja lugematute teiste konnadega Madagaskari saareriigi küngastel ja metsades, samuti boade ja muude madudega, kes neid röövivad. Sellel saarel, mille paljusid loomaliike ei esine kusagil mujal, tegid geneetikud hiljuti üllatava avastuse: konnade genoomidesse on puistatud geen, BovB, mis näis olevat pärit madudest.
Pärast konna- ja maoliikide genoomide uurimist kogu maailmas teatasid teadlased aprillis paber in Molekulaarbioloogia ja evolutsioon et see geen on mingil moel liikunud madude juurest konnadeni vähemalt 50 korda üle kogu planeedi. Kuid Madagaskaril on ta end konnadesse sisestanud jahmatava laiskuse: 91%-l seal proovides võetud konnaliikidest on see olemas. Miski näib muutvat Madagaskari erakordselt soodsaks kohaks geenide liikuvuseks.
Kui Atsushi Kurabayashi, Nagahama Bioteaduste ja Tehnoloogia Instituudi dotsent ja uue artikli vanemautor, nägi esimest korda konnas geeni madu versiooni, oli ta hämmingus. Ta küsis selle kohta genoomikale spetsialiseerunud kolleegilt ja kolleeg hüüdis kohe: "See peab olema horisontaalne ülekanne!" — geeni ülekandmine ühelt liigilt teisele, erinevalt geenide vertikaalsest pärimisest lapse poolt vanemalt.
See puhang saatis Kurabayashi nähtuse jälile, mida kunagi peeti äärmiselt haruldaseks, kuigi parema genoomse järjestuse tõus on pannud bioloogid seda arvamust ümber hindama. Ja see uus dokument, mis näitab, et geenide horisontaalne ülekanne võib mõnes kohas olla tõenäolisem kui teistes, muudab loo veelgi keerulisemaks. See viitab sellele, et horisontaalsete ülekannete kohta selgitusi otsides peavad teadlased võib-olla vaatama lihtsatest geneetilistest mehhanismidest kaugemale ökoloogilisele kontekstile, milles liigid elavad. Genoomikud näevad endiselt vaeva, et mõista, kui tavalised või haruldased on horisontaalsed ülekanded keerulistes organismides, kuid mõned kohad, näiteks Madagaskar, võivad olla nende jaoks kuumad kohad.
Sissejuhatus
Kui geenid rändavad
Horisontaalne ülekanne on bakterites tavaline. Kihavad üherakulised organismid, mis asustavad peaaegu kõiki planeedi koldeid, korjavad oma keskkonnast geene sama kergesti kui ebemehari kassikarva. See on üks põhjus, miks bakterite resistentsus antibiootikumide suhtes on laialt levinud: kaitsvad geenid edastatakse kergesti ja looduslik valik tagab, et resistentsed bakterid konkureerivad oma naabritega ja annavad oma geenid edasi järgmisele põlvkonnale. Bakterid vahetavad geene nii kergesti, et mõned teadlased on isegi oletanud, et bakterid tekivad seotud elu võrk pigem hargnev sugupuu.
Eukarüootsete organismide, nagu inimesed, konnad ja maod, rakud on aga erinevad. Nende rakutuum tundub tavaliselt genoomi kaitsmise kindlusena. DNA keeratakse hoolikalt kokku ja talletatakse selle tsitadelli raamatukogus, kusjuures ensüümid kutsuvad esile ainult geenid, mida nad peavad igal ajahetkel uurima. Rakku on laetud tõrkekaitsetega, et vältida selle DNA kahjustamist ja parandada kulumist. Kui genoom on nagu hindamatu valgustatud käsikiri, kannavad selle raamatukoguhoidjad mõõku.
Sellegipoolest levib teaduskirjandusse pidevalt näiteid horisontaalse geeniülekande kohta, mis hõlmab eukarüoote. Arktika, Vaikse ookeani põhjaosa ja Atlandi ookeani põhjaosa jäistes vetes ujuvad räimed ja sintlid, omavahel mitteseotud kalad. täpselt sama geen valgu jaoks, mis hoiab nende verd külmumast; see hüppas tõenäoliselt heeringatest tindidesse. Laurie Graham, Kanada Queeni ülikooli molekulaarbioloog ja tema kolleegid teatasid sellest eelmisel aastal; nende leiud olid nii intuitiivsed, et Grahamil oli raskusi teose avaldamisega.
Samamoodi evolutsioonibioloog Etienne GJ Danchin ja tema kolleegid Prantsusmaal riiklikust põllumajanduse, toidu ja keskkonna uurimisinstituudist õpivad ensüümide komplekt et nematoodiussid said bakteritest. Ja tundub, et üle 100 geeniperekonna on juba ammu mikroobidest taimedesse hüpanud, kirjutas Jinling Huang Ida-Carolina ülikoolist ja kolleegidest paberil sellel aastal.
On ilusti selged põhjused, miks evolutsioon mõnele sellisele ebatõenäolisele ülekandele naeratas. Geeniga kalad ei külmu. Nematoodide seedeensüümid võimaldavad neil väänata rohkem energiat nende taimede rakuseintest, mida nad söövad. Bakteritest kogutud ensüümide klastri tõttu uuris evolutsioonibioloog kuumaveeallikates elavaid punavetikaid. Rõõmustav Bhattacharya ja tema õpilane Julia Van Etten Rutgersi ülikoolis suudavad ellu jääda kokkupuutel ainetega, mis muidu neid tapaksid. Kui geen suurendab ellujäämist, ei lähe kaua aega, enne kui esimesena selle omandanud organismi järeltulijad võtavad võimust.
Kõik need rändavad geenid ei anna aga tingimata eelist. BovB on hästi tuntud transposoon, geneetilise materjali jääk, mis kaldub genoomi ümber juhuslikult hüppama. Mõnes mõttes on selle hüpped Madagaskaril madudelt konnadesse – olenemata sellest, kuidas need toimusid – lihtsalt veidralt suuremad hüpped kui tavaliselt. Pealegi, kuigi transposoonidel võib olla sügavat mõju genoomidele, BovB ei ole traditsioonilises mõttes funktsiooniga geen; see on vaid natuke DNA-d, mis teeb endast koopiaid. Kurabayashi märgib, et kuigi võimalus, et BovB kasu konnad ei saa välistada, see on tõenäolisem, et BovB püsib tänu omaenda agressiivsele edule enese dubleerimisel. See võib aidata selgitada, miks on nii, et kui eukarüootid satuvad kokku teiste organismide geneetilise materjaliga, transposoonid nagu BovB on sageli kaasatud.
Nii kummaline kui see ka ei tunduks eukarüootidele bakteritelt geenide korjamine, on siiski kummalisem tõsiasi, et horisontaalse geeniülekande näited teises suunas on palju haruldasemad. Millegipärast ei taha bakterid meie geene. Eukarüootsetel geenidel on struktuursed omadused, mis muudavad need bakterite jaoks vähem täiuslikuks materjaliks, kuid neil võib olla ka teisi soodustavaid tegureid.
"Võib-olla ei ole eukarüootidel geene, millest bakterid on huvitatud," ütles Patrick Keeling, Briti Columbia ülikooli bioloog, kes uurib horisontaalseid ülekandeid.
Läheb viiruseks
Erinevalt bakteritest on viirustel tõeline oskus oma eukarüootsetest peremeesorganismidest geene koguda. Viirustel, eriti retroviirustel, on vahendid peremeesrakkudesse ja -tuumadesse sattumiseks ning nad on peremeesorganismi genoomidesse geneetilise materjali sisestamise meistrid. Kuni 8% inimese genoomist koosneb retroviiruste jääkidest, mis on meie liigi ajaloo ammuste nakkuste fragmendid.
Mõnikord läheb ülekanne ka teistpidi. sisse paber avaldatakse Loodus mikrobioloogia mullu detsembris Keeling, tema kaastööline Nicholas Irwin Oxfordi ülikooli teadlane ja nende kolleegid viisid läbi esimese põhjaliku analüüsi horisontaalsete geeniülekannete kohta 201 eukarüoodi ja 108,842 6,700 viiruse vahel. Nad leidsid tõendeid enam kui XNUMX geeniülekande kohta, kusjuures peremeesorganismilt viirusele ülekandmine on umbes kaks korda suurem kui viiruse ülekandmine peremeesorganismile. Nad jõudsid järeldusele, et horisontaalsed geeniülekanded olid olnud evolutsiooni peamiseks tõukejõuks mõlemal poolel: viirused kasutasid sageli omandatud eukarüootseid geene, et olla tõhusamad oma peremeesorganismide nakatamisel, samas kui eukarüootid kasutasid mõnikord viiruse geenide elemente uute tunnuste loomiseks või nende reguleerimiseks. ainevahetust uutel viisidel.
Sellised leiud on veennud mõnda bioloogi, et viirused võivad hõlbustada vähemalt mõnda horisontaalset geeniülekannet. Kui viirused suudavad oma peremeestelt geene üles korjata ja kui nad võivad oma genoomidest maha jätta, näib võimalik, et mõnikord võivad nad üle kanda ka viimase nakatatud peremehe või isegi põlvkondade taguse peremehe geene ja anda need uus peremees.
Viiruste kaasamine võib aidata lahendada ka teist mõistatust horisontaalsete ülekannete kohta eukarüootides. Ülekannete toimumiseks peavad reisivad geenid kõrvaldama terve rea takistusi. Kõigepealt peavad nad jõudma doonorliigilt uute peremeesliikide juurde. Seejärel peavad nad jõudma tuuma ja sulanduma peremeesgenoomi. Kuid mis tahes raku genoomi sisenemine ei aita: mitmerakulistel olenditel, nagu konnad ja heeringad, ei kandu geen edasi looma järglastele, välja arvatud juhul, kui see suudab hiilida idutee rakku – sperma või munarakku.
Viirused võivad muuta selle sündmuste jada tõenäolisemaks. Väikestes organismides, nagu nematoodid, ei ole Danchini sõnul sugutrakt ja selle sugurakud sooletraktist kaugel, kus toiduga allaneelatud viirused võivad asuda. Kuna konnad lasevad oma munad ja spermatosoidid avavette, on need rakud potentsiaalselt haavatavad keskkonnas leiduvate viiruste suhtes, mis võivad geenides libiseda.
Isegi suuremate olendite puhul võib see olla lihtsam, kui arvate. Praegu on see endiselt spekulatiivne idee, kuid "sigimistrakt on täis mikroobe ja viirusi," ütles Danchin. "Me teame, et mõned viirused nakatavad spetsiifiliselt sugurakke."
Keeling soovitab, et horisontaalse geeniülekande müsteeriumi mõistmiseks peaksime neid arvama kui organismi käitumise, selle naabrite ja keskkonna ökoloogilistest tagajärgedest. Kui horisontaalselt ülekantud geen annab ellujäämise eeliseid, sõltub see tõenäoliselt suuresti konkreetsest stsenaariumist, mille korral geeni saaja satub – jäine meri, kuumaveeallikas, isuäratav tugeva kaitsevõimega peremeestaim. "Nad on nii seotud ökoloogiaga, kus see asi on, kuid see muutub," oletas ta. Keskkonna vale nihkega ei ole ülekantud geen enam kasulik ja see on kadunud.
Ökoloogilised vihjed
Horisontaalne geeniülekanne eukarüootides võib toimuda kogu aeg: teie tagaaia tiigis, teie jalgade all olevas pinnases, loomades, putukates ja taimedes, mis moodustavad ökosüsteemi. "Ma arvan, et ülekannet on palju rohkem, kui me teame," ütles Bhattacharya. "Me lihtsalt ei näe neid, sest nad on minema pühitud."
Et kontrollida, kui sageli on konnadel madu BovB, pöördus Kurabayashi meeskond oma kolleegide poole, et saada DNA sekveneerimiseks kogu maailmast pärit konnaproove. Nad leidsid, et 149 liigist 50 tulid tagasi BovB. Nende testitud 32 Madagaskari konna moodustasid vähem kui veerandi kõigist proovides võetud liikidest, kuid 29 neist kandsid maogeeni – selge enamus kogu maailmas leitud ülekannetest. Veelgi enam, vähemalt kaks konnaliini ei omandanud BovB kuni pärast seda, kui nende esivanemad Aafrikast Madagaskarile rändasid.
Graham ütles, et paberi kõige huvitavam asi on see, et see näitab, et edastuskiirus ei ole ühtlane. See on geograafiliste piirkondade lõikes väga erinev. Kui rohkem uuringuid seatakse eesmärgiga uurida geeniülekannet kogu maailmas – näha, kas ülekanded on erinevates kohtades toimunud erineva kiirusega –, võib see, mida leiame, meid üllatada. Võib-olla on geograafial rohkem tähtsust, kui me ootame.
Kas Madagaskari keskkonnas on midagi, mis muudab selle geeniülekannete jaoks kuumaks kohaks? Keegi ei tea. Kurabayashi ütleb, et tema ja tema rühm kahtlustavad kõige tugevamalt madu BovB Madagaskaril erineb mujal maailmas olevatest versioonidest selle poolest, et suudab end uude hosti saada veidi paremini.
Kuid parasiitide rohkus saarel võib samuti olla soodustav tegur. Näiteks "Madagaskaril on palju kaanid," ütles Miguel Vences, herpetoloog Braunschweigi Tehnikaülikoolis Saksamaal ja uue artikli autor. "Kui olete vihmametsas, märkate neid." Verdimevad olendid toituvad mitut tüüpi loomadest, sealhulgas konnadest ja madudest, ning nad ei ületa proovide võtmisel inimesi. Vences ja tema kolleegid oletavad, et kaanid võivad tuua konnadesse mao hüppamisgeeni sisaldavat verd või võib-olla on hüppegeen juba varasematest kokkupuudetest madudega kaani enda genoomis. Siis võib-olla teeb tundmatu viirus ülejäänu.
Kahjuks ei ole lihtne tõestada ega ümber lükata stsenaariume, mis kirjeldavad, kuidas sellised horisontaalsed ülekanded võisid aset leida. Ilma DNA järjestuste säilitamise selektsioonita kipuvad nad pika aja jooksul muteeruma ja segamini minema, kustutades ülekande molekulaarsed tõendid. Ja kui viirus on ülekandega seotud, võib see jätta esiteks väga vähe tõendeid, ütles Graham. Seetõttu võib teadlastel tekkida vajadus geneetiline hüpe, et teada saada, kuidas see juhtub.
Bhattacharya on projekti algusjärgus, mille eesmärk on just seda teha. Yellowstone'i rahvuspargis Lemonade Creekis asuvates kuumaveeallikates otsib ta koos kolleegidega märke ümberistumisest, mis võib veel jõuda. Nad uurivad punavetikate DNA-d, mis on korjanud geene ka allikates elavatelt bakteritelt – geenid, millel on algupärastest vaid väikesed erinevused. "Me ei räägi miljonite aastate tagusest ajast," ütles Bhattacharya. "Me räägime DNA-st, mis on väga sarnane, mis eksisteerib koos kahes erinevas eluvaldkonnas samas keskkonnas."
Kui teadlased leiavad, et lähedalasuvate allikate vetikatel puudub ükski neist ülekantud geenidest, võivad nad olla tunnistajaks geneetilise muutuse lainele, mis liigub vetikate kaudu väljapoole, ühest naaberallikast teise. Iga uus kuum bassein võib olla saar ümberkujundamise äärel.
