DNA خودخواه و ویروس مانند می تواند ژن ها را بین گونه ها حمل کند | مجله کوانتا

زیست شناسان خطوط گسترده قوانین وراثت را برای بیش از یک قرن درک کرده اند: این که ژن ها در گونه ها از والدین به فرزند منتقل می شوند. اما در سال‌های اخیر، آن‌ها همچنین از ژن‌هایی آگاه شده‌اند که سرکش می‌شوند و بین گونه‌ها حرکت می‌کنند - چه ژن‌های قورباغه در ماداگاسکار باشند. که در اصل از مارها آمده استیا ژن های ضد یخ موجود در ماهی های سردآبی مانند شاه ماهی به smelts منتقل می شود. مکانیسم تسهیل کننده این انتقال ژن نامشخص بوده است، اگرچه احتمال می رود که ویروس ها نقشی داشته باشند.

در تحقیقات جدید منتشر شده در علممحققان طبقه منحصر به فردی از عناصر ژنتیکی را به عنوان عواملی که مسئول انتقال ژن‌های خاص بین گونه‌های متعددی از بی‌مهرگان ساده به نام کرم‌های گرد هستند، شناسایی کرده‌اند. ممکن است پرش از یک کرم به کرم دیگر زیاد به نظر نرسد، اما کرم‌های مورد بحث میلیون‌ها سال پیش از یکدیگر جدا شدند و آنها را در سطح مولکولی مانند ماهی و انسان متفاوت کرد. عناصر ژنتیکی نامیده می شوند ماوریکسدر طیف وسیعی از حیوانات، اعم از بی مهرگان و مهره داران، شناسایی شده اند و بسیاری از ویژگی های موجود در ژنوم ویروس ها را نشان می دهند. با توجه به این ویژگی ها، محققان مشکوک هستند که ماوریکس - و عناصر مشابه، از جمله برخی که هنوز کشف نشده اند - ممکن است واسطه انتقال ژن افقی در طول تاریخ زندگی باشند.

در حالی که باکتری‌ها، ویروس‌ها و بسیاری از پروتیست‌ها اغلب DNA را مبادله می‌کنند، حیوانات چند سلولی دارای موانع محافظتی در اطراف سلول‌های تولیدمثلی خود هستند که عموماً از جذب DNA خارجی جلوگیری می‌کنند. ایرینا آرکیپووایک متخصص ژنتیک مولکولی در آزمایشگاه بیولوژیکی دریایی در وودز هول، ماساچوست، که در این تحقیق شرکت نداشت، گفت که این نشان می‌دهد که چگونه می‌توان گهگاهی موانع را در برخی از دودمان حیوانات برای انتقال ژن شکست.

به همین دلیل، یک عنصر DNA که توانایی انتقال ژن‌ها به ژنوم یک گونه کاملاً متفاوت را رمزگذاری می‌کند «یک کشف بزرگ» است. سارا زاندرز، یک متخصص ژنتیک در موسسه تحقیقات پزشکی Stowers که او نیز در این مطالعه شرکت نداشت.

مطالعات قبلی در مورد انتقال افقی اغلب بر روی عناصر ژنتیکی متحرک به نام ترانسپوزون متمرکز شده است. این «ژن‌های پرش» ممتاز می‌توانند با تکثیر خود و قرار دادن کپی‌هایشان به اطراف ژنوم یک موجود زنده بپیوندند. تنها نگرانی آنها ترویج بقای خود در ژنوم است نه تناسب اندام ارگانیسم، به همین دلیل است که آنها اغلب به عنوان ژن های "خودخواه" طبقه بندی می شوند. از آنجایی که کرم های گرد چرخه زندگی سریع و طرح بدنی ساده ای دارند، ارگانیسم های مدل ایده آلی برای مطالعه این نوع انگلی ژنتیکی هستند.

برخی از کرم‌های گرد دارای یک عنصر ژنتیکی هستند که بسیار خودخواهانه است، بقای فرزندان به ارث بردن حداقل یک نسخه از آن بستگی دارد. این حاوی دو ژن است که یکی پروتئین سمی را کد می کند و دیگری یک پادزهر را کد می کند که سم را خنثی می کند. کرم مادری که حامل این عنصر است سم را در تخم‌هایش رسوب می‌کند. هنگامی که تخم ها بارور می شوند، تنها فرزندانی زنده می مانند که می توانند ژن پادزهر را بیان کنند. انگار عنصر سم پادزهر برای اطمینان از تکثیر آن، ژنوم این کرم را به گروگان گرفته است.

چسباندن ژن ها بین ژنوم ها

در 2021، هنگامی که اسرائیل کامپو بس او دانشجوی کارشناسی ارشد در موسسه بیوتکنولوژی مولکولی آکادمی علوم اتریش در وین بود، او گاهی اوقات تا دیروقت روی جستجوی ژن‌های مرتبط با عناصر ژنتیکی سموم پادزهر در کرم‌های گرد مختلف کار می‌کرد. یک شب نسیم تابستان تقریباً ساعت 2 بامداد، او متوجه چیزی شد. ژن توکسین در یک کرم تقریباً شبیه ژنی بود که عملکرد متفاوتی در گونه دیگری از کرم دارد. آنها به طرز شگفت آوری شبیه بودند - با تقریباً 97٪ شباهت نوکلئوتیدی. او گفت: «به نظر می‌رسید که یک کرم از ژن‌هایش کپی کرده و به نحوی آن‌ها را در ژنوم کرم دیگر قرار داده است.

گفت: "من آن را کاملاً غافلگیرکننده نیز دیدم." الخاندرو بورگا، متخصص ارشد ژنتیک مولکولی در آزمایشگاه. برای کشف منشأ عناصر مشترک، بورگا و تیم تصمیم گرفتند DNA اطراف را بررسی کنند. آنها توالی‌های مکرر را در DNA در کنار ژن‌ها مشاهده کردند - یکی از ویژگی‌های ترانسپوزون‌ها که به پرش آن‌ها در داخل ژنوم با اطمینان از حفظ جهت‌گیری صحیح کپی‌های درج‌شده کمک می‌کند. این تیم همچنین بقایای چندین ژن ویروسی را کشف کردند: یکی برای یک پروتئین کپسید پوششی، یکی که معمولا به تکثیر ویروس کمک می کند و دیگری برای یک "چسب" که DNA ویروس را در ژنوم میزبان ادغام می کند.

بورگا گفت: "این مانند یک حفاری باستان شناسی بود - ما مدام سرنخ هایی را کشف می کردیم."

تصویر کامل ژنوم نشان داد که ژن شاتل در مجموعه‌ای از ژن‌های ویروس مانند و یک ترانسپوزون تعبیه شده است که بورگا همه آنها را تشکیل می‌دهند. تک رو.

ماوریکس دسته ای قدیمی و تکه تکه از ژن های پرش هستند که در ژنوم پروتیست ها، قارچ ها و حیوانات از جمله انسان ها شایع هستند. این عناصر متحرک عظیم در ابتدا به عنوان بقایای غیر فعال و جهش یافته ژن های منسوخ فرض می شدند. اما تحقیقات بعدی نشان داد که ماوریکس می توانند دوباره فعال شوند و می توانند انتقال افقی ژن را واسطه کنند بین برخی از گونه های پروتیست ها. کامل، دست نخورده ماوریکس هرگز در یک ارگانیسم چند سلولی مشخص نشده بود. بنابراین کرم های گرد فرصتی نادر برای مطالعه آنها ارائه کردند.

La تک رو با این حال، در یکی از این کرم‌های گرد، یک ژن اضافی وجود داشت - ژنی که پروتئینی به نام فیوزوژن را رمزگذاری می‌کرد که ویروس را قادر می‌سازد با یک سلول ترکیب شود و ژنوم خود را به آن منتقل کند. گفت: "بدون فیوزوژن، هیچ راهی برای ویروس برای انتقال ژن های خود وجود نخواهد داشت." سونیا آنجلین وایدنیک محقق فوق دکترا در آزمایشگاه بورگا و نویسنده مشترک با Bes در مطالعه جدید. کشف این پروتئین قویاً نشان می دهد که این تک رو توانایی تشکیل ذره ای شبیه ویروس و حمله به انواع مختلف سلول را داشت.

ماوریکس غیر متعارف را انجام دهید

تیم Burga به سرعت پایگاه داده ژنوم کرم های گرد را برای نمونه های دیگری از ژن های جاسازی شده مانند محموله برای حمل و نقل استخراج کردند. ماوریکس. به زودی مشخص شد که موردی که آنها یافته بودند، یک مورد مجزا از انتقال افقی ژن نبود. در بیش از 100 ژنوم کرم گرد که شامل 11 جنس یا بیشتر است، دو خانواده ژن اغلب به عنوان محموله توسط تک رو ذرات و به طور گسترده بین گونه ها منتقل می شود. بقایای کامل و ناقص عناصر ژنتیکی در جمعیت‌های مختلف کرم در سرتاسر جهان، از آمریکای شمالی تا هند تا معدن طلا در عمق یک کیلومتری آفریقای جنوبی نفوذ کرده است.

اگرچه شواهد غیرمستقیم به شدت این را نشان می دهد تک رو انتقال افقی ژن ها بین گونه های کرم گرد را فعال کرد، محققان هنوز آن را در عمل کشف نکرده اند. بورگا و تیمش تشخیص می دهند که قدم مهم بعدی آنها یافتن راهی برای القای ویروس مانند است تک رو ذرات در حالی که آنها را زیر میکروسکوپ مشاهده می کنند تشکیل می شوند.

کار می تواند فایده عملی داشته باشد. بسیاری از گونه های کرم گرد انگل هایی هستند که محصولات کشاورزی و دام را آلوده می کنند. اگر محققان بفهمند که چگونه ماوریکس کار، ممکن است بتوان از آنها برای کنترل انگل ها با وارد کردن ژن به آنها استفاده کرد.

بورگا گفت: «این کاری نیست که بتوانیم به درستی انجام دهیم، اما امیدوارم در چند سال آینده».

دلایلی وجود دارد که باور کنیم انتقال ژن با استفاده از ترانسپوزون های عظیم ممکن است در طبیعت رایج تر باشد. تحقیقات اخیر به رهبری آرون ووگان از دانشگاه اوپسالا در سوئد عظیم پیدا کرده است عناصر ژنتیکی متحرک به نام کشتی های ستاره ای که ژن ها را در چندین گونه قارچ جابجا می کند. ووگان به آن مشکوک است کشتی های ستاره ای انتقال ژن‌های کلیدی بین پاتوژن‌های قارچی ممکن است سویه‌های جدیدی را ایجاد کند که باعث اپیدمی بیماری‌های گندم می‌شود، مانند لکه‌های قهوه‌ای مایل به زرد (لکه‌های زرد برگی). این بیماری ها از دهه 1970 باعث از بین رفتن محصولات زراعی عمده در سراسر جهان شده اند و در موارد شدید بیش از 50 درصد محصول از دست رفته است. ووگان گفت: "بنابراین درک پویایی تغییرات در ژنوم از چنین انتقال افقی ژنی بر همه زیست شناسی تاثیر می گذارد."

زاندرز گفت، محققان دریافته‌اند که عناصر ژنتیکی ترانسپوزون‌مانند «محرک‌های کلیدی تکامل ژنوم» هستند. او افزود که برای درک واقعی ژنوم، باید این "عناصر خودخواه" را که می توانند بین گونه ها بپرند، درک کنیم.