esittely
Sademetsän lehdellä kyydissä pieni kultainen mantelasammakko kätkee salaisuuden. Se jakaa tämän salaisuuden haarukkakielisen sammakon, ruokosammakon ja lukemattomien muiden sammakoiden kanssa Madagaskarin saarivaltion kukkuloilla ja metsissä sekä niitä saalistavien boojen ja muiden käärmeiden kanssa. Tällä saarella, jonka monet eläinlajit eivät esiinny missään muualla, geneetikot tekivät äskettäin yllättävän löydön: sammakon genomien läpi sirotellaan geeni, BovB, joka ilmeisesti tuli käärmeistä.
Tutkittuaan sammakko- ja käärmelajien genomeja ympäri maailmaa tutkijat raportoivat huhtikuussa paperi in Molekyylibiologia ja evoluutio että tämä geeni on jotenkin kulkenut käärmeistä sammakoihin ainakin 50 kertaa ympäri planeettaa. Mutta Madagaskarilla se on tunkeutunut sammakoiden joukkoon hätkähdyttävällä epämääräisyydellä: 91 prosentilla siellä näytteistä otetuista sammakkolajeista on sitä. Jokin näyttää tekevän Madagaskarista poikkeuksellisen suotuisan paikan geenin liikkumiselle.
Kun Atsushi Kurabayashi, Nagahama Institute of Bio-Science and Technology -instituutin apulaisprofessori ja uuden artikkelin vanhempi kirjoittaja, näki ensimmäisen kerran geenin käärmeversion sammakoissa, hän oli ymmällään. Hän kysyi asiasta genomiikkaan erikoistuneelta kollegalta, ja kollega huusi heti: "Tämän täytyy olla horisontaalista siirtoa!" — geenin siirtyminen lajista toiseen, toisin kuin geenien vertikaalinen periytyminen lapsen vanhemmalta.
Tämä purkaus lähetti Kurabayashin jäljittelemään ilmiötä, jota aikoinaan pidettiin erittäin harvinaisena, vaikka paremman genomisen sekvensoinnin myötä biologit arvioivat tätä mielipidettä uudelleen. Ja tämä uusi paperi, joka osoittaa, että geenien horisontaalinen siirto voi olla joissain paikoissa todennäköisempää kuin toisissa, mutkistaa tarinaa entisestään. Se viittaa siihen, että etsiessään selityksiä horisontaalisille siirroille, tutkijoiden on ehkä katsottava yksinkertaisten geneettisten mekanismien lisäksi ekologisiin yhteyksiin, joissa lajit elävät. Genomitieteilijät kamppailevat edelleen ymmärtääkseen, kuinka yleisiä tai harvinaisia horisontaaliset siirtymät ovat monimutkaisissa organismeissa, mutta jotkut paikat, kuten Madagaskar, voivat olla heille kuumia paikkoja.
esittely
Kun geenit vaeltavat
Vaakasuora siirtyminen on yleistä bakteereissa. Melkein jokaisessa planeetan kolossa elävät yksisoluiset organismit poimivat geenejä ympäristöstään yhtä helposti kuin nukkaharja kissankarvoja. Tämä on yksi syy, miksi bakteerien vastustuskyky antibiooteille on laajalle levinnyt: Suojageenit kulkeutuvat helposti, ja luonnonvalinta varmistaa, että resistentit bakteerit kilpailevat naapureistaan ja välittävät geeninsä seuraavalle sukupolvelle. Bakteerit vaihtavat geenejä niin helposti, että jotkut tutkijat ovat jopa ehdottaneet bakteerien muodostumista siihen liittyvän elämän verkko pikemminkin kuin haarautuva sukupuu.
Eukaryoottisten organismien, kuten ihmisten, sammakoiden ja käärmeiden, solut ovat kuitenkin erilaisia. Heidän solun ydin vaikuttaa yleensä genomin suojaamisen linnoituksesta. DNA kääritään huolellisesti ja varastoidaan tuon linnoituksen kirjastoon, jolloin entsyymit kutsuvat esiin vain ne geenit, jotka heidän tarvitsee tutkia kulloinkin. Solu on ladattu vikaturvallisilla sen DNA:n vahingoittumisen estämiseksi ja kulumisen korjaamiseksi. Jos genomi on kuin korvaamaton valaistu käsikirjoitus, sen kirjastonhoitajat kantavat miekkoja.
Siitä huolimatta esimerkkejä horisontaalisista geeninsiirroista, joissa on mukana eukaryootteja, tulee jatkuvasti tieteelliseen kirjallisuuteen. Silakoilla ja kuoreilla, sukulaiskaloilla, jotka uivat jäisissä arktisen alueen, pohjoisen Tyynenmeren ja Atlantin valtamerten jäävesissä, on täsmälleen sama geeni proteiinille, joka estää heidän verta jäätymästä; se todennäköisesti hyppäsi silakoista kuoreiksi. Laurie Graham, molekyylibiologi Queen's Universitystä Kanadassa, ja hänen kollegansa raportoivat siitä viime vuonna; heidän havaintonsa olivat niin ristiriitaisia, että Grahamilla oli vaikeuksia saada teos julkaistua.
Samoin evoluutiobiologi Etienne GJ Danchin ja hänen kollegansa National Research Institute for Agriculture, Food and Environment Ranskassa opiskelevat sarja entsyymejä että sukkulamadot ovat saaneet bakteereista. Ja yli 100 geeniperhettä näyttää hyppääneen mikrobeista kasveihin kauan sitten, kirjoitti Jinling Huang Itä-Carolinan yliopistosta ja kollegoistaan paperissa tänä vuonna.
On kauniin selkeät syyt, miksi evoluutio hymyili joidenkin näistä epätodennäköisistä siirroista. Kalat, joilla on geeni, eivät jäädy. Nematodien ruoansulatusentsyymien ansiosta ne voivat puristaa enemmän energiaa syömiensä kasvien soluseinistä. Bakteereista poimitun entsyymijoukon vuoksi evoluutiobiologin tutkimat kuumissa lähteissä asuvat punalevät Roskaa Bhattacharya ja hänen oppilaansa Julia Van Etten Rutgersin yliopistossa voi selviytyä kosketuksesta aineisiin, jotka muuten tappaisivat heidät. Jos geeni edistää selviytymistä, ei kestä kauan, ennen kuin sen ensimmäisen organismin jälkeläiset ottavat vallan.
Kaikki nämä vaeltavat geenit eivät kuitenkaan välttämättä tarjoa etua. BovB on hyvin tunnettu transposoni, geneettisen materiaalin romu, joka on altis hyppäämään satunnaisesti genomin ympäri. Tavallaan sen hyppyjä käärmeistä sammakoihin Madagaskarilla – tapahtuivatpa ne miten tahansa – ovat vain tavallista suurempia hyppyjä. Lisäksi vaikka transposoneilla voi olla syvällisiä vaikutuksia genomeihin, BovB ei ole geeni, jolla on funktio perinteisessä mielessä; se on vain osa DNA:ta, joka tekee kopioita itsestään. Kurabayashi toteaa, että vaikka mahdollisuus, että BovB hyötynyt sammakoista ei voida sulkea pois, se on todennäköisempää BovB jatkuu oman aggressiivisen menestyksensä kautta itsensä monistamisessa. Tämä voi auttaa selittämään, miksi eukaryootit päätyvät muiden organismien geneettisen materiaalin kanssa, transposonit kuten BovB ovat usein mukana.
Niin oudolta kuin se saattaakin tuntua, että eukaryootit poimivat geenejä bakteereista, vielä kummallisempaa on se tosiasia, että esimerkit horisontaalisesta geeninsiirrosta toiseen suuntaan ovat huomattavasti harvinaisempia. Jostain syystä bakteerit eivät halua geenejämme. Eukaryoottigeeneillä on rakenteellisia piirteitä, jotka tekevät niistä vähemmän kuin täydellisen materiaalin bakteereille, mutta myös muita vaikuttavia tekijöitä voi olla.
"Ehkä eukaryooteilla ei ole geenejä, joista bakteerit ovat kiinnostuneita", sanoi Patrick Keeling, biologi British Columbian yliopistosta, joka tutkii horisontaalisia siirtoja.
Menee virus
Toisin kuin bakteereilla, viruksilla on todellinen taito poimia geenejä eukaryoottisännistään. Viruksilla, erityisesti retroviruksiksi kutsutuilla, on työkalut päästä isännän soluihin ja tumiin, ja ne ovat mestarit siirtämään geneettistä materiaalia isäntägenomeihin. Jopa 8 % ihmisen genomista koostuu retrovirusten jäännöksistä, jotka ovat lajimme historian kauan sitten tapahtuneiden infektioiden fragmentteja.
Joskus siirto menee myös toiseen suuntaan. Sisään paperi julkaistu Luonto mikrobiologia viime joulukuussa Keeling, hänen yhteistyökumppaninsa Nicholas Irwin Oxfordin yliopiston ja heidän kollegansa suorittivat ensimmäisen kattavan analyysin horisontaalisista geeninsiirroista 201 eukaryootin ja 108,842 6,700 viruksen välillä. He löysivät todisteita yli XNUMX XNUMX geeninsiirrosta, jolloin isännästä virukselle siirtyminen on noin kaksi kertaa yleisempää kuin viruksesta isäntään. He päättelivät, että horisontaaliset geenisiirrot olivat olleet evoluution tärkeimpiä tekijöitä molemmilla puolilla: Virukset käyttivät usein hankkimiaan eukaryoottisia geenejä saadakseen tehokkaampia tartunnan isäntiensä, kun taas eukaryootit käyttivät toisinaan virusgeenien elementtejä luodakseen uusia piirteitä tai sääteleen omia ominaisuuksiaan. aineenvaihduntaa uusilla tavoilla.
Tällaiset havainnot ovat saaneet jotkut biologit vakuuttuneiksi siitä, että virukset voivat helpottaa ainakin joitakin horisontaalisia geeninsiirtoja. Jos virukset voivat poimia geenejä isännistään ja jos ne voivat jättää taakseen palasia genomeistaan, näyttää mahdolliselta, että ne voisivat joskus siirtää geenejä viimeisestä isännästä, jonka ne ovat saaneet tartunnan, tai jopa sukupolvien takaa ja antaa ne uusi isäntä.
Virusten osallistuminen voisi myös auttaa ratkaisemaan toisen arvoituksen horisontaalisista siirroista eukaryooteissa. Jotta siirrot tapahtuisivat, matkustavien geenien on poistettava koko joukko esteitä. Ensin niiden on päästävä luovuttajalajista uuteen isäntälajiin. Sitten heidän täytyy päästä ytimeen ja sulautua isäntägenomiin. Mutta minkään solun genomiin pääseminen ei auta: Monisoluisissa olennoissa, kuten sammakoissa ja silakoissa, geeni ei välity eläimen jälkeläisille, ellei se voi livahtaa itusoluun – siittiöön tai munasoluun.
Virukset voivat tehdä tapahtumasarjasta todennäköisemmän. Pienissä organismeissa, kuten sukkulamato, Danchin sanoi, että lisääntymiskanava ja sen sukusolut eivät ole kaukana suolistosta, jonne ruoasta nauttineet virukset voivat asettua. Koska sammakot vapauttavat munansa ja siittiönsä avoveteen, nämä solut ovat mahdollisesti alttiita ympäristön viruksille, jotka voivat luiskahtaa geeneihin.
Jopa suurempien olentojen kanssa se voi olla helpompaa kuin luulet. Tässä vaiheessa se on vielä spekulatiivinen ajatus, mutta "lisäyskanava on täynnä mikrobeja ja viruksia", Danchin sanoi. "Tiedämme, että jotkut virukset infektoivat erityisesti sukusoluja."
Keeling ehdottaa, että horisontaalisen geeninsiirron mysteerin ymmärtämiseksi meidän pitäisi ehkä ajatella niitä organismin käyttäytymisen, sen naapureiden ja ympäristön ekologisina seurauksina. Jos vaakasuoraan siirretty geeni antaa eloonjäämishyötyä, se on todennäköisesti erittäin riippuvainen tietystä skenaariosta, jossa geenin vastaanottaja joutuu - jäinen meri, kuuma lähde, herkullinen isäntäkasvi, jolla on kova puolustus. "He ovat niin sidoksissa siihen ekologiaan, missä tuo asia on, mutta se muuttuu", hän spekuloi. Väärällä ympäristömuutoksella siirretty geeni "ei ole enää edullinen, ja se on menetetty".
Ekologisia vihjeitä
Horisontaalisia geeninsiirtoja eukaryooteissa saattaa tapahtua koko ajan: takapihasi lammikossa, jalkojen alla olevassa maaperässä, eläimissä, hyönteisissä ja kasveissa, jotka muodostavat ekosysteemin. "Luulen, että siirtoja on paljon enemmän kuin tiedämme", Bhattacharya sanoi. "Emme vain näe niitä, koska ne lakaistaan pois."
Tarkistaa, kuinka yleistä sammakoilla on käärme BovB, Kurabayashin tiimi pyysi kollegoiltaan näytteitä sammakoista ympäri maailmaa DNA-sekvensointia varten. He havaitsivat, että 149 lajista 50 palasi BovB. Heidän testaamat 32 Madagaskarin sammakkoa muodostivat alle neljänneksen kaikista näytteistä otetuista lajeista, mutta 29 niistä kantoi käärmegeeniä – selvä enemmistö kaikista ympäri maailmaa löydetyistä siirroista. Lisäksi ainakin kaksi sammakkolinjaa ei hankkinut BovB kunnes heidän esi-isänsä muuttivat Afrikasta Madagaskarille.
Mielenkiintoisin asia paperissa, Graham sanoi, "on se, että siirtonopeus ei ole tasainen. Se vaihtelee suuresti maantieteellisten alueiden välillä." Jos useammat tutkimukset pyrkivät tarkastelemaan geeninsiirtoa eri puolilla maailmaa - nähdäkseen, onko siirtoja tapahtunut eri nopeudella eri paikoissa - mitä löydämme, voimme yllättää meidät. Ehkä maantiede merkitsee enemmän kuin odotamme.
Onko Madagaskarin ympäristössä jotain, mikä tekee siitä kuuman paikan geeninsiirroille? Kukaan ei tiedä. Kurabayashi sanoo, että hän ja hänen ryhmänsä epäilevät voimakkaimmin käärmettä BovB Madagaskarissa eroaa versioista muualla maailmassa siinä, että se on vain hieman parempi saamaan itsensä uuteen isäntään.
Mutta saaren loisten runsaus saattaa myös olla myötävaikuttava tekijä. Esimerkiksi "Madagaskarilla on paljon iilimatoja", sanoi Miguel Vences, herpetologi Braunschweigin teknillisessä yliopistossa Saksassa ja uuden artikkelin kirjoittaja. "Jos olet sademetsässä, huomaat ne." Verenimevät olennot ruokkivat monenlaisia eläimiä, kuten sammakoita ja käärmeitä, eivätkä ne ole näytteenottoa parempia ihmisiä. Vences ja hänen kollegansa spekuloivat, että iilimatot voivat tuoda sammakkoihin käärmeen hyppygeenin sisältävää verta, tai ehkä hyppygeeni on jo iilimatossa omassa genomissa aiemmista kosketuksista käärmeisiin. Sitten ehkä tunnistamaton virus hoitaa loput.
Valitettavasti ei ole helppoa todistaa tai kumota skenaarioita, jotka kuvaavat, kuinka tällaiset horisontaaliset siirrot ovat saattaneet tapahtua. Ilman DNA-sekvenssien säilyttämistä koskevaa valintaa niillä on taipumus mutatoitua ja sekaantua pitkiä aikoja, mikä poistaa molekyylin siirron todisteet. Ja jos virus on mukana siirrossa, se voi jättää aluksi hyvin vähän todisteita, Graham sanoi. Tutkijoiden saattaa siksi melkein tarttua geneettiseen hyppyyn saadakseen tietää, miten se tapahtuu.
Bhattacharya on alkuvaiheessa projektissa, joka tähtää juuri tähän. Lemonade Creekin kuumissa lähteissä Yellowstonen kansallispuistossa hän ja hänen kollegansa etsivät merkkejä siirroista, jotka saattavat vielä olla valtaamassa. He tutkivat niiden punalevien DNA:ta, jotka ovat poimineet geenejä lähteissä elävistä bakteereista, geenejä, joissa on vain pieniä eroja alkuperäisistä. "Emme puhu miljoonien vuosien takaa", sanoi Bhattacharya. "Puhumme DNA:sta, joka on hyvin samankaltainen, joka esiintyy rinnakkain kahdella eri elämänalueella, samassa ympäristössä."
Jos tutkijat huomaavat, että lähilähteiden levistä puuttuu jokin näistä siirretyistä geeneistä, he saattavat todistaa geneettisen muutoksen aaltoilun alkamista, joka liikkuu levien läpi naapurilähteestä toiseen. Jokainen uusi kuuma allas voi olla saari muutoksen partaalla.
