چگونه ژن ها می توانند از مارها به قورباغه ها در ماداگاسکار بپرند؟

قورباغه مانتلای طلایی رنگ کوچک که بر روی یک برگ در جنگل بارانی قرار دارد، رازی را در خود جای داده است. این راز را با قورباغه چنگال زبان، قورباغه نی و هزاران قورباغه دیگر در تپه ها و جنگل های کشور جزیره ای ماداگاسکار، و همچنین با بوآها و سایر مارهایی که آنها را شکار می کنند، در میان می گذارد. در این جزیره که بسیاری از گونه‌های جانوری آن در هیچ جای دیگری وجود ندارد، ژنتیک‌دانان اخیراً به کشف شگفت‌انگیزی دست یافته‌اند: ژنی که در ژنوم قورباغه‌ها پاشیده می‌شود، BovB، که ظاهراً از مارها آمده است.

پس از بررسی ژنوم گونه های قورباغه و مار در سراسر جهان، دانشمندان در ماه آوریل گزارش دادند. یک کاغذ in زیست شناسی مولکولی و تکامل این ژن حداقل 50 بار از مارها به قورباغه ها در سراسر سیاره سفر کرده است. اما در ماداگاسکار با هرزگی حیرت‌آور خود را در قورباغه‌ها قرار داده است: 91 درصد از گونه‌های قورباغه‌ای که در آنجا نمونه‌برداری شده‌اند، آن را دارند. به نظر می رسد چیزی ماداگاسکار را به مکانی فوق العاده برای تحرک ژن تبدیل می کند.

چه زمانی آتسوشی کوربایاشیاستادیار مؤسسه علوم و فناوری ناگاهاما و نویسنده ارشد مقاله جدید، برای اولین بار نسخه مار این ژن را در قورباغه ها دید، او متحیر شد. او از یکی از همکاران متخصص ژنومیک در مورد آن سؤال کرد و همکار بلافاصله فریاد زد: "این باید انتقال افقی باشد!" - انتقال یک ژن از یک گونه به گونه دیگر، برخلاف ارث عمودی ژن ها توسط فرزند از والدین.

این طغیان، کوربایاشی را به دنبال پدیده‌ای قرار داد که زمانی تصور می‌شد بسیار نادر است، اگرچه افزایش توالی‌بندی ژنومی بهتر باعث شد که زیست‌شناسان این نظر را دوباره ارزیابی کنند. و این مقاله جدید، که نشان می‌دهد احتمال انتقال افقی ژن‌ها در برخی مکان‌ها بیشتر از مکان‌های دیگر است، داستان را بیش از پیش پیچیده می‌کند. این نشان می‌دهد که هنگام جستجوی توضیح برای انتقال افقی، محققان ممکن است نیاز داشته باشند که فراتر از مکانیسم‌های ژنتیکی ساده به بافت‌های اکولوژیکی که گونه‌ها در آن زندگی می‌کنند نگاه کنند. ژنوم شناسان هنوز در تلاشند تا بفهمند که انتقال افقی چقدر رایج یا نادر در موجودات پیچیده است، اما برخی از مکان ها، مانند ماداگاسکار، ممکن است نقاط داغ برای آنها باشد.

وقتی ژن ها سرگردان هستند

انتقال افقی در باکتری ها رایج است. موجودات تک سلولی انباشته ای که تقریباً در هر نقطه از این سیاره پراکنده هستند، ژن ها را از محیط خود به راحتی می گیرند، همانطور که یک برس پرزدار موهای گربه را می گیرد. این یکی از دلایلی است که مقاومت باکتری ها به آنتی بیوتیک ها گسترده است: ژن های محافظ به راحتی منتقل می شوند و انتخاب طبیعی تضمین می کند که باکتری های مقاوم از همسایگان خود پیشی گرفته و ژن های خود را به نسل بعدی منتقل کنند. باكتری ها به آسانی ژن ها را عوض می كنند كه برخی از دانشمندان حتی پیشنهاد كرده اند كه باكتری ها تشكیل شوند شبکه ای از زندگی مرتبط به جای یک درخت خانوادگی منشعب

سلول های موجودات یوکاریوتی مانند انسان، قورباغه و مار، با این حال، متفاوت هستند. هسته سلولی آنها معمولاً مانند قلعه ای برای محافظت از ژنوم به نظر می رسد. DNA با دقت پیچیده شده و در کتابخانه آن ارگ ذخیره می‌شود و آنزیم‌ها تنها ژن‌هایی را که باید در هر زمان مورد بررسی قرار دهند، فراخوانی می‌کنند. سلول برای جلوگیری از آسیب رساندن به DNA و ترمیم فرسودگی و پارگی، پر شده است. اگر ژنوم مانند یک نسخه خطی نورانی گرانبها باشد، کتابداران آن شمشیرها را حمل می کنند.

با این وجود، نمونه‌هایی از انتقال افقی ژن که شامل یوکاریوت‌ها می‌شود، همچنان در ادبیات علمی به چشم می‌خورد. شاه ماهی و ماهی‌های بو داده، ماهی‌های نامرتبط که در آب‌های یخی قطب شمال، اقیانوس آرام شمالی و اقیانوس اطلس شمالی شنا می‌کنند، دقیقا همان ژن برای پروتئینی که از یخ زدن خون آنها جلوگیری می کند. به احتمال زیاد از شاه ماهی به بو داده است. لوری گراهامیک زیست شناس مولکولی در دانشگاه کوئینز در کانادا و همکارانش سال گذشته آن را گزارش کردند. یافته‌های آن‌ها به قدری غیر منطقی بود که گراهام در انتشار کار با مشکل مواجه شد.

به همین ترتیب، زیست شناس تکاملی اتین جی دانچین و همکارانش در موسسه ملی تحقیقات کشاورزی، غذا و محیط زیست در فرانسه مشغول به تحصیل هستند مجموعه ای از آنزیم ها که کرم‌های نماتد از باکتری به دست می‌آیند. و بیش از 100 خانواده ژنی به نظر می رسد مدت ها پیش از میکروب ها به گیاهان جهش کرده اند جینلینگ هوانگ دانشگاه کارولینای شرقی و همکارانش در یک مقاله امسال.

دلایل بسیار واضحی وجود دارد که چرا تکامل به برخی از این انتقالات غیرمحتمل لبخند زد. ماهی های دارای ژن یخ نمی زنند. آنزیم های گوارشی نماتدها آنها را قادر می سازد تا انرژی بیشتری از دیواره سلولی گیاهانی که می خورند خارج کنند. به دلیل مجموعه ای از آنزیم های جمع آوری شده از باکتری ها، جلبک قرمز ساکن چشمه آب گرم توسط زیست شناس تکاملی مورد مطالعه قرار گرفت. دباشیش باتاچاریا و شاگردش جولیا ون اتن در دانشگاه راتگرز می تواند از تماس با موادی که در غیر این صورت آنها را از بین می برد، زنده بماند. اگر ژنی بقا را افزایش دهد، طولی نمی کشد که نوادگان اولین ارگانیسم آن را بدست می آورند.

با این حال، همه این ژن‌های سرگردان لزوماً مزیتی ندارند. BovB یک ترانسپوزون شناخته شده، تکه ای از مواد ژنتیکی است که مستعد پرش تصادفی در اطراف ژنوم است. به نوعی، پرش های آن از مارها به قورباغه ها در ماداگاسکار - هر طور که اتفاق افتاده باشد - جهش های عجیبی بزرگتر از حد معمول است. علاوه بر این، اگرچه ترانسپوزون ها می توانند داشته باشند تأثیرات عمیق بر ژنوم, BovB یک ژن با عملکرد به معنای سنتی نیست. این فقط کمی از DNA است که از خودش کپی می کند. کوربایاشی خاطرنشان می کند که اگرچه این احتمال وجود دارد که BovB سود قورباغه ها را نمی توان رد کرد، به احتمال زیاد BovB از طریق موفقیت تهاجمی خود در تکرار خود ادامه می دهد. این ممکن است به توضیح اینکه چرا وقتی یوکاریوت ها با مواد ژنتیکی موجودات دیگر منحرف می شوند، کمک کند، ترانسپوزون ها مانند BovB اغلب درگیر هستند.

همان‌قدر که برای یوکاریوت‌ها کشف ژن‌ها از باکتری‌ها عجیب به نظر می‌رسد، اما عجیب‌تر این است که نمونه‌هایی از انتقال افقی ژن در جهت دیگر بسیار نادرتر است. به دلایلی، باکتری ها ژن های ما را نمی خواهند. ژن‌های یوکاریوتی دارای ویژگی‌های ساختاری هستند که باعث می‌شود آنها کمتر از مواد کامل برای باکتری‌ها باشند، اما ممکن است عوامل دیگری نیز وجود داشته باشند.

گفت: "شاید یوکاریوت ها ژن مورد علاقه باکتری ها را نداشته باشند." پاتریک کیلینگ، زیست شناس دانشگاه بریتیش کلمبیا که انتقال افقی را مطالعه می کند.

رفتن ویروسی

برخلاف باکتری ها، ویروس ها استعداد واقعی در برداشتن ژن ها از میزبان یوکاریوتی خود دارند. ویروس‌ها، به‌ویژه آنهایی که رتروویروس نامیده می‌شوند، ابزار ورود به سلول‌ها و هسته‌های میزبان را دارند و استاد وارد کردن مواد ژنتیکی در ژنوم میزبان هستند. بیش از 8 درصد از ژنوم انسان از بقایای رتروویروس ها، قطعات عفونت های دیرینه در تاریخ گونه ما تشکیل شده است.

گاهی اوقات انتقال به سمت دیگری نیز انجام می شود. که در یک کاغذ منتشر شده در میکروبیولوژی طبیعت دسامبر گذشته، کیلینگ، همکارش نیکلاس ایروین دانشگاه آکسفورد و همکارانشان اولین تحلیل جامع انتقال ژن افقی بین 201 یوکاریوت و 108,842 ویروس را انجام دادند. آنها شواهدی مبنی بر انتقال بیش از 6,700 ژن، با انتقال میزبان به ویروس تقریباً دو برابر بیشتر از انتقال ویروس به میزبان پیدا کردند. آنها به این نتیجه رسیدند که انتقال افقی ژن محرک های اصلی تکامل در هر دو طرف بوده است: ویروس ها اغلب از ژن های یوکاریوتی که به دست آورده بودند استفاده می کردند تا در آلوده کردن میزبان خود مؤثرتر شوند، در حالی که یوکاریوت ها گاهی اوقات از عناصر ژن های ویروسی برای ایجاد ویژگی های جدید یا تنظیم خود استفاده می کردند. متابولیسم به روش های جدید

یافته هایی از این دست برخی از زیست شناسان را متقاعد کرده است که حداقل برخی از انتقال افقی ژن ممکن است توسط ویروس ها تسهیل شود. اگر ویروس‌ها بتوانند ژن‌هایی را از میزبان خود بگیرند، و اگر بتوانند تکه‌هایی از ژنوم خود را به جای بگذارند، ممکن است گاهی اوقات ژن‌های آخرین میزبانی را که آلوده کرده‌اند، یا حتی یکی از نسل‌های پیش، را منتقل کنند و به آن‌ها بدهند. یک میزبان جدید

دخالت ویروس ها همچنین می تواند به حل معمای دیگری در مورد انتقال افقی در یوکاریوت ها کمک کند. برای اینکه این انتقال اتفاق بیفتد، ژن های مسافر باید مجموعه کاملی از موانع را برطرف کنند. ابتدا باید از گونه اهداکننده به گونه میزبان جدید برسند. سپس آنها باید وارد هسته شوند و خود را در ژنوم میزبان قرار دهند. اما ورود به ژنوم هر سلولی انجام نمی دهد: در موجودات چند سلولی مانند قورباغه و شاه ماهی، یک ژن به فرزندان حیوان منتقل نمی شود مگر اینکه بتواند مخفیانه به یک سلول زایا - اسپرم یا تخمک - نفوذ کند.

ویروس ها ممکن است آن سری از رویدادها را محتمل تر کنند. به گفته دانچین، در موجودات کوچکی مانند نماتد، دستگاه تناسلی و سلول‌های زایای آن از مجرای روده دور نیستند، جایی که ویروس‌های خورده‌شده روی غذا می‌توانند ته نشین شوند. از آنجایی که قورباغه ها تخمک ها و اسپرم های خود را در آب آزاد می کنند، این سلول ها به طور بالقوه در برابر ویروس های موجود در محیط آسیب پذیر هستند که می توانند در ژن ها لغزند.

حتی با موجودات بزرگتر، ممکن است آسان تر از آنچه فکر می کنید باشد. دانچین گفت: در این مرحله، این هنوز یک ایده گمانه‌زنی است، اما «مجرای تولید مثل مملو از میکروب‌ها و ویروس‌ها است». ما می دانیم که برخی از ویروس ها به طور خاص سلول های زایا را آلوده می کنند.

کیلینگ پیشنهاد می کند که برای درک رمز و راز انتقال افقی ژن، شاید باید آنها را به عنوان پیامدهای اکولوژیکی رفتارهای یک موجود زنده، همسایگان و محیط آن در نظر بگیریم. اگر ژنی که به صورت افقی منتقل می‌شود مزایای بقای خود را به همراه داشته باشد، احتمالاً به سناریوی خاصی که گیرنده ژن خود را در آن می‌بیند - یک دریای یخی، یک چشمه آب گرم، یک گیاه میزبان اشتهاآور با دفاعی سخت، بستگی دارد. او حدس می‌زند: «آن‌ها خیلی به محیط زیستی که آن چیز است، گره خورده‌اند، اما تغییر می‌کند». با تغییر اشتباه در محیط، ژن منتقل شده "دیگر سودمند نیست و از بین می رود."

سرنخ های زیست محیطی

انتقال افقی ژن در یوکاریوت ها ممکن است همیشه اتفاق بیفتد: در حوضچه در حیاط خلوت شما، در خاک زیر پای شما، در حیوانات، حشرات و گیاهان که اکوسیستم را تشکیل می دهند. بهاتاچاریا گفت: "من فکر می کنم خیلی بیشتر از آنچه ما می دانیم، انتقال وجود دارد." "ما آنها را نمی بینیم زیرا آنها از بین رفته اند."

برای بررسی اینکه چقدر قورباغه ها مار دارند BovBتیم کوربایاشی برای یافتن نمونه‌هایی از قورباغه‌ها از سراسر جهان برای تعیین توالی DNA با همکاران خود تماس گرفتند. آنها دریافتند که از 149 گونه، 50 گونه با آن بازگشتند BovB. 32 قورباغه مالاگاسی که آنها آزمایش کردند کمتر از یک چهارم کل گونه‌های نمونه‌برداری شده را تشکیل می‌دادند، اما 29 قورباغه از آنها ژن مار را داشتند که اکثریت واضحی از تمام انتقال‌های موجود در سراسر جهان است. علاوه بر این، حداقل دو تا از دودمان قورباغه ها به دست نیاوردند BovB تا زمانی که اجدادشان از آفریقا به ماداگاسکار مهاجرت کردند.

گراهام گفت: جالب ترین چیز در مورد این روزنامه این است که نشان می دهد نرخ انتقال یکنواخت نیست. در بین مناطق جغرافیایی بسیار متفاوت است. اگر مطالعات بیشتری با هدف بررسی انتقال ژن در سرتاسر جهان انجام شود - ببیند آیا انتقال در مکان‌های مختلف با سرعت‌های متفاوتی اتفاق افتاده است - آنچه می‌یابیم ممکن است ما را شگفت‌زده کند. شاید جغرافیا بیش از آن چیزی که ما انتظار داریم اهمیت داشته باشد.

آیا چیزی در مورد محیط زیست ماداگاسکار وجود دارد که آن را به یک نقطه داغ برای انتقال ژن تبدیل کند؟ هیچ کس نمی داند. کوربایاشی می گوید که او و گروهش به شدت به این مار مشکوک هستند BovB در ماداگاسکار با نسخه های دیگر در جهان تفاوت دارد زیرا فقط کمی بهتر است خود را به یک میزبان جدید تبدیل کند.

اما فراوانی انگل ها در این جزیره نیز ممکن است یک عامل موثر باشد. به عنوان مثال، "در ماداگاسکار، تعداد زیادی زالو وجود دارد." میگل ونسس، هرپتولوژیست در دانشگاه صنعتی براونشوایگ در آلمان و نویسنده مقاله جدید. "اگر در جنگل های بارانی باشید، متوجه آنها خواهید شد." موجودات خونخوار از انواع مختلفی از حیوانات از جمله قورباغه و مار تغذیه می کنند و بالاتر از نمونه انسان نیستند. ونسس و همکارانش حدس می زنند که زالوها ممکن است خون حاوی ژن پرش مار را به قورباغه بیاورند، یا شاید ژن پرش از قبل در ژنوم خود زالو از تماس های قبلی با مارها باشد. سپس شاید یک ویروس ناشناس بقیه کارها را انجام دهد.

متأسفانه، اثبات یا رد سناریوهایی که توصیف می کنند چگونه چنین انتقال افقی ممکن است اتفاق افتاده باشد، آسان نیست. بدون انتخاب برای حفظ توالی های DNA، آنها تمایل به جهش پیدا می کنند و در طول زمان طولانی درهم می مانند و شواهد مولکولی انتقال را پاک می کنند. گراهام گفت و اگر ویروسی در انتقال دخیل باشد، ممکن است در وهله اول شواهد بسیار کمی باقی بگذارد. بنابراین ممکن است محققان تقریباً نیاز به یک پرش ژنتیکی داشته باشند تا بدانند چگونه اتفاق می افتد.

Bhattacharya در مراحل اولیه پروژه ای با هدف انجام این کار است. او و همکارانش در چشمه‌های آب گرم در لیموناد کریک در پارک ملی یلوستون به دنبال نشانه‌هایی از انتقال هستند که ممکن است هنوز در حال انجام باشد. آنها در حال مطالعه DNA جلبک‌های قرمز هستند که ژن‌هایی را از باکتری‌هایی که در چشمه‌ها زندگی می‌کنند، گرفته‌اند، ژن‌هایی که تنها تفاوت‌های کوچکی با نمونه‌های اصلی دارند. باتاچاریا گفت: «ما در مورد میلیون‌ها سال پیش صحبت نمی‌کنیم. "ما در مورد DNA صحبت می کنیم که بسیار شبیه است، که در دو حوزه مختلف زندگی، در یک محیط وجود دارد."

اگر دانشمندان متوجه شوند که جلبک‌های چشمه‌های مجاور فاقد هر یک از این ژن‌های انتقال‌یافته هستند، ممکن است شاهد آغاز موجی از تغییرات ژنتیکی باشند که از میان جلبک‌ها به سمت بیرون حرکت می‌کند، از چشمه‌ای همسایه به چشمه‌ای دیگر. هر استخر آب گرم جدید ممکن است جزیره ای باشد که در آستانه تحول است.