मेडागास्कर में जीन सांप से मेंढक तक कैसे छलांग लगा सकते हैं?

वर्षावन में एक पत्ते पर बैठा, छोटा सुनहरा मंटेला मेंढक एक रहस्य छुपाता है। यह उस रहस्य को मेडागास्कर के द्वीप राष्ट्र की पहाड़ियों और जंगलों में कांटेदार मेंढक, ईख मेंढक और असंख्य अन्य मेंढकों के साथ-साथ बोआ और अन्य सांपों के साथ साझा करता है जो उनका शिकार करते हैं। इस द्वीप पर, जिसकी कई पशु प्रजातियां कहीं और नहीं पाई जाती हैं, आनुवंशिकीविदों ने हाल ही में एक आश्चर्यजनक खोज की: मेंढक के जीनोम के माध्यम से छिड़का हुआ एक जीन है, बोवबी, जो प्रतीत होता है कि सांपों से आया है।

दुनिया भर में मेंढक और सांप की प्रजातियों के जीनोम पर विचार करने के बाद, वैज्ञानिकों ने अप्रैल में रिपोर्ट किया एक पेपर in आणविक जीवविज्ञान और विकास कि यह जीन किसी न किसी तरह से पूरे ग्रह में कम से कम 50 बार सांप से मेंढक तक यात्रा कर चुका है। लेकिन मेडागास्कर में इसने खुद को चौंकाने वाली संकीर्णता के साथ मेंढकों में डाल दिया है: मेंढक की 91% प्रजातियों के नमूने वहां मौजूद हैं। ऐसा लगता है कि मेडागास्कर को जीन के लिए मोबाइल प्राप्त करने के लिए एक असाधारण अनुकूल स्थान बना दिया गया है।

. अत्सुशी कुराबायाशीनागहामा इंस्टीट्यूट ऑफ बायो-साइंस एंड टेक्नोलॉजी के एक एसोसिएट प्रोफेसर और नए पेपर के वरिष्ठ लेखक ने पहली बार मेंढकों में जीन का सांप संस्करण देखा, वह हैरान रह गया। उन्होंने इसके बारे में जीनोमिक्स में विशेषज्ञता रखने वाले एक सहयोगी से पूछा, और सहयोगी तुरंत चिल्लाया, "यह क्षैतिज स्थानांतरण होना चाहिए!" - माता-पिता से एक बच्चे द्वारा जीन के ऊर्ध्वाधर वंशानुक्रम के विपरीत, एक प्रजाति से दूसरी प्रजाति में जीन का स्थानांतरण।

उस विस्फोट ने कुराबायाशी को एक ऐसी घटना के निशान पर भेजा जिसे एक बार अत्यधिक दुर्लभ माना जाता था, हालांकि बेहतर जीनोमिक अनुक्रमण के उदय ने जीवविज्ञानी उस राय का पुनर्मूल्यांकन कर रहे हैं। और यह नया पेपर, जो दिखाता है कि कुछ जगहों पर जीन के क्षैतिज स्थानांतरण की संभावना दूसरों की तुलना में अधिक हो सकती है, कहानी को और भी जटिल बनाती है। यह सुझाव देता है कि क्षैतिज स्थानान्तरण के लिए स्पष्टीकरण मांगते समय, शोधकर्ताओं को सरल आनुवंशिक तंत्र से परे पारिस्थितिक संदर्भों में देखने की आवश्यकता हो सकती है जिसमें प्रजातियां रहती हैं। जीनोमिक्स अभी भी यह समझने के लिए संघर्ष कर रहे हैं कि जटिल जीवों में क्षैतिज स्थानान्तरण कितना सामान्य या दुर्लभ है, लेकिन मेडागास्कर जैसे कुछ स्थान उनके लिए गर्म स्थान हो सकते हैं।

जब जीन भटकते हैं

बैक्टीरिया में क्षैतिज स्थानांतरण आम है। ग्रह पर लगभग हर क्रेन को आबाद करने वाले एकल-कोशिका वाले जीव अपने पर्यावरण से जीन को उतनी ही आसानी से पकड़ लेते हैं जितना कि एक लिंट ब्रश बिल्ली के बालों को उठाता है। यही एक कारण है कि एंटीबायोटिक दवाओं के लिए जीवाणु प्रतिरोध व्यापक है: सुरक्षात्मक जीन आसानी से पारित हो जाते हैं, और प्राकृतिक चयन यह सुनिश्चित करता है कि प्रतिरोधी बैक्टीरिया अपने पड़ोसियों से आगे निकल जाएं और अपने जीन को अगली पीढ़ी तक पहुंचाएं। बैक्टीरिया इतनी आसानी से जीन की अदला-बदली करते हैं कि कुछ वैज्ञानिकों ने यह भी प्रस्तावित किया है कि बैक्टीरिया बनते हैं संबंधित जीवन का एक जाल एक शाखाओं वाले परिवार के पेड़ के बजाय।

यूकेरियोटिक जीवों जैसे मनुष्य, मेंढक और सांप की कोशिकाएं, हालांकि अलग-अलग होती हैं। उनका कोशिका केन्द्रक आमतौर पर जीनोम की रक्षा के लिए एक किले की तरह लगता है। डीएनए को सावधानीपूर्वक कुंडलित किया जाता है और उस गढ़ के पुस्तकालय में संग्रहीत किया जाता है, जिसमें एंजाइम केवल उन्हीं जीनों को बुलाते हैं जिनकी उन्हें किसी भी समय जांच करने की आवश्यकता होती है। सेल अपने डीएनए को नुकसान से बचाने और टूट-फूट को ठीक करने के लिए विफल-तिजोरियों से भरी हुई है। यदि जीनोम एक अमूल्य प्रकाशित पांडुलिपि की तरह है, तो इसके पुस्तकालयाध्यक्ष तलवारें लेकर चलते हैं।

फिर भी, यूकेरियोट्स से जुड़े क्षैतिज जीन स्थानांतरण के उदाहरण वैज्ञानिक साहित्य में उलझते रहते हैं। आर्कटिक, उत्तरी प्रशांत और उत्तरी अटलांटिक महासागरों के बर्फीले पानी में तैरने वाली असंबंधित मछली हेरिंग और स्मेल्ट्स ठीक वही जीन एक प्रोटीन के लिए जो उनके रक्त को जमने से रोकता है; यह संभवतः झुमके से स्मेल्ट्स में कूद गया। लॉरी ग्राहम, कनाडा में क्वीन्स यूनिवर्सिटी में एक आणविक जीवविज्ञानी, और उनके सहयोगियों ने पिछले साल इसकी सूचना दी थी; उनके निष्कर्ष इतने विपरीत थे कि ग्राहम को काम प्रकाशित करने में कठिनाई हुई।

इसी तरह, विकासवादी जीवविज्ञानी एटिने जीजे डैनचिन और फ्रांस में राष्ट्रीय कृषि, खाद्य और पर्यावरण अनुसंधान संस्थान में उनके सहयोगी अध्ययन कर रहे हैं एंजाइमों का एक सूट कि नेमाटोड कीड़े बैक्टीरिया से प्राप्त होते हैं। और ऐसा प्रतीत होता है कि 100 से अधिक जीन परिवार रोगाणुओं से पौधों तक बहुत पहले ही छलांग लगा चुके हैं, लिखा जिनलिंग हुआंग पूर्वी कैरोलिना विश्वविद्यालय और सहयोगियों के एक कागज में इस साल.

इन असंभव हस्तांतरणों में से कुछ पर विकासवाद के मुस्कुराने के स्पष्ट कारण हैं। जीन वाली मछली जमती नहीं है। नेमाटोड के पाचक एंजाइम उन्हें अपने द्वारा खाए जाने वाले पौधों की कोशिका भित्ति से अधिक ऊर्जा निकालने में सक्षम बनाते हैं। बैक्टीरिया से उठाए गए एंजाइमों के एक समूह के कारण, विकासवादी जीवविज्ञानी द्वारा अध्ययन किए गए गर्म पानी के झरने में रहने वाले लाल शैवाल देबाशीष भट्टाचार्य और उसका छात्र जूलिया वैन एटन रटगर्स विश्वविद्यालय में उन पदार्थों के संपर्क में रह सकते हैं जो अन्यथा उन्हें मार देंगे। यदि कोई जीन जीवित रहने को बढ़ावा देता है, तो पहले जीव के वंशजों को इसे प्राप्त करने में अधिक समय नहीं लगता है।

हालांकि, ये सभी भटकने वाले जीन जरूरी नहीं कि एक फायदा पहुंचाएं। बोवबी एक प्रसिद्ध ट्रांसपोसॉन है, आनुवंशिक सामग्री का एक स्क्रैप जीनोम के चारों ओर बेतरतीब ढंग से कूदने की संभावना है। एक तरह से, मेडागास्कर में सांपों से मेंढकों में इसकी छलांग - हालांकि वे हुई - सामान्य से विचित्र रूप से बड़ी छलांग हैं। इसके अलावा, हालांकि ट्रांसपोज़न में हो सकता है जीनोम पर गहरा प्रभाव, बोवबी पारंपरिक अर्थों में एक फ़ंक्शन वाला जीन नहीं है; यह डीएनए का थोड़ा सा हिस्सा है जो खुद की प्रतियां बनाता है। कुराबायाशी ने नोट किया कि हालांकि संभावना है कि बोवबी लाभान्वित मेंढ़कों को नकारा नहीं जा सकता, इसकी अधिक संभावना है बोवबी आत्म-दोहराव में अपनी आक्रामक सफलता के माध्यम से बनी रहती है। यह समझाने में मदद कर सकता है कि ऐसा क्यों है कि जब यूकेरियोट्स अन्य जीवों की आनुवंशिक सामग्री के साथ समाप्त हो जाते हैं, ट्रांसपोज़न जैसे बोवबी अक्सर शामिल होते हैं.

यूकेरियोट्स के लिए बैक्टीरिया से जीन लेने के लिए यह अजीब लग सकता है, फिर भी अजनबी यह तथ्य है कि दूसरी दिशा में क्षैतिज जीन स्थानांतरण के उदाहरण बहुत दुर्लभ हैं। किसी कारण से, बैक्टीरिया हमारे जीन नहीं चाहते हैं। यूकेरियोटिक जीन में संरचनात्मक विशेषताएं होती हैं जो उन्हें बैक्टीरिया के लिए सही सामग्री से कम बनाती हैं, लेकिन अन्य योगदान कारक भी हो सकते हैं।

"शायद यूकेरियोट्स में वे जीन नहीं होते हैं जिनमें बैक्टीरिया रुचि रखते हैं," ने कहा पैट्रिक कीलिंग, ब्रिटिश कोलंबिया विश्वविद्यालय में एक जीवविज्ञानी जो क्षैतिज स्थानान्तरण का अध्ययन करता है।

लोकप्रिय होना

जीवाणुओं के विपरीत, विषाणुओं में अपने यूकेरियोटिक मेजबानों से जीन लेने की वास्तविक क्षमता होती है। वायरस, विशेष रूप से जिन्हें रेट्रोवायरस कहा जाता है, उनके पास मेजबान की कोशिकाओं और नाभिक में प्रवेश करने के लिए उपकरण होते हैं, और वे आनुवंशिक सामग्री को मेजबान जीनोम में डालने में माहिर होते हैं। मानव जीनोम का 8% तक रेट्रोवायरस के बचे हुए हिस्से से बना है, जो हमारी प्रजातियों के इतिहास में बहुत पहले के संक्रमणों के टुकड़े हैं।

कभी-कभी स्थानांतरण दूसरी तरफ भी जाता है। में एक पेपर में प्रकाशित प्रकृति माइक्रोबायोलॉजी पिछले दिसंबर, कीलिंग, उनके सहयोगी निकोलस इरविन ऑक्सफोर्ड विश्वविद्यालय और उनके सहयोगियों ने 201 यूकेरियोट्स और 108,842 वायरस के बीच क्षैतिज जीन स्थानांतरण का पहला व्यापक विश्लेषण किया। उन्हें 6,700 से अधिक जीन स्थानान्तरण के प्रमाण मिले, जिसमें होस्ट-टू-वायरस स्थानान्तरण वायरस-से-होस्ट स्थानान्तरण की तुलना में लगभग दोगुना है। उन्होंने निष्कर्ष निकाला कि क्षैतिज जीन स्थानांतरण दोनों तरफ विकास के प्रमुख चालक थे: वायरस अक्सर अपने मेजबानों को संक्रमित करने के लिए अधिक प्रभावी बनने के लिए हासिल किए गए यूकेरियोटिक जीन का उपयोग करते थे, जबकि यूकेरियोट्स कभी-कभी उपन्यास सुविधाओं को बनाने या विनियमित करने के लिए वायरल जीन के तत्वों का उपयोग करते थे। नए तरीकों से चयापचय।

इस तरह की खोजों ने कुछ जीवविज्ञानियों को आश्वस्त किया है कि कम से कम कुछ क्षैतिज जीन स्थानांतरण वायरस द्वारा सुगम हो सकते हैं। यदि वायरस अपने मेजबानों से जीन उठा सकते हैं, और यदि वे अपने जीनोम के टुकड़ों को पीछे छोड़ सकते हैं, तो यह संभव लगता है कि वे कभी-कभी अपने द्वारा संक्रमित अंतिम मेजबान, या यहां तक ​​​​कि पीढ़ी पहले से एक भी जीन पर फेरी लगा सकते हैं, और उन्हें दे सकते हैं एक नया मेजबान।

वायरस की भागीदारी यूकेरियोट्स में क्षैतिज स्थानान्तरण के बारे में एक और पहेली को हल करने में भी मदद कर सकती है। स्थानान्तरण होने के लिए, यात्रा करने वाले जीन को बाधाओं की एक पूरी श्रृंखला को साफ करने की आवश्यकता होती है। पहले उन्हें दाता प्रजाति से नई मेजबान प्रजातियों तक पहुंचना होगा। फिर उन्हें नाभिक में प्रवेश करना चाहिए और मेजबान जीनोम में खुद को विसर्जित करना चाहिए। लेकिन किसी भी कोशिका के जीनोम में प्रवेश करने से काम नहीं चलेगा: मेंढक और झुंड जैसे बहुकोशिकीय जीवों में, एक जीन जानवर की संतानों को तब तक पारित नहीं किया जाएगा जब तक कि वह एक जर्मलाइन सेल - एक शुक्राणु या एक अंडे में घुस नहीं सकता।

वायरस घटनाओं की उस श्रृंखला को और अधिक संभावित बना सकते हैं। नेमाटोड जैसे छोटे जीवों में, डैनचिन ने कहा, प्रजनन पथ और इसकी रोगाणु कोशिकाएं आंतों के मार्ग से दूर नहीं हैं, जहां भोजन पर निहित वायरस बस सकते हैं। चूंकि मेंढक अपने अंडे और शुक्राणु को खुले पानी में छोड़ते हैं, इसलिए वे कोशिकाएं पर्यावरण में वायरस के लिए संभावित रूप से कमजोर होती हैं जो जीन में फिसल सकती हैं।

बड़े जीवों के साथ भी, यह आपके विचार से आसान हो सकता है। इस बिंदु पर, यह अभी भी एक सट्टा विचार है, लेकिन "प्रजनन पथ रोगाणुओं और वायरस से भरा है," डैनचिन ने कहा। "हम जानते हैं कि कुछ वायरस विशेष रूप से रोगाणु कोशिकाओं को संक्रमित करते हैं।"

कीलिंग का सुझाव है कि क्षैतिज जीन स्थानांतरण के रहस्य को समझने के लिए, शायद हमें उन्हें किसी जीव के व्यवहार, उसके पड़ोसियों और उसके पर्यावरण के पारिस्थितिक परिणामों के रूप में सोचना चाहिए। यदि एक क्षैतिज रूप से स्थानांतरित जीन किसी भी उत्तरजीविता लाभ को प्रदान करता है, तो यह उस विशिष्ट परिदृश्य पर अत्यधिक आकस्मिक होने की संभावना है जिसमें जीन प्राप्तकर्ता खुद को पाता है - एक बर्फीले समुद्र, एक गर्म पानी का झरना, कठिन सुरक्षा के साथ एक स्वादिष्ट मेजबान संयंत्र। "वे उस पारिस्थितिकी से इतने बंधे हुए हैं कि वह चीज़ कहाँ है, लेकिन यह बदल जाती है," उन्होंने अनुमान लगाया। पर्यावरण में गलत बदलाव के साथ, स्थानांतरित जीन "अब फायदेमंद नहीं है, और यह खो गया है।"

पारिस्थितिक सुराग

यूकेरियोट्स में क्षैतिज जीन स्थानांतरण हर समय हो सकता है: आपके पिछवाड़े में तालाब में, आपके पैरों के नीचे की मिट्टी में, जानवरों, कीड़ों और पौधों में जो पारिस्थितिकी तंत्र बनाते हैं। भट्टाचार्य ने कहा, "मुझे लगता है कि जितना हम जानते हैं उससे कहीं अधिक स्थानांतरण है।" "हम उन्हें सिर्फ इसलिए नहीं देखते हैं क्योंकि वे बह गए हैं।"

यह जांचने के लिए कि मेंढकों में सांप होना कितना आम है बोवबी, कुराबायाशी की टीम डीएनए अनुक्रमण के लिए दुनिया भर से मेंढकों के नमूनों के लिए अपने सहयोगियों के पास पहुंची। उन्होंने पाया कि 149 प्रजातियों में से 50 प्रजातियों के साथ वापस आ गईं बोवबी. 32 मालागासी मेंढक जिनका उन्होंने परीक्षण किया, वे सभी प्रजातियों के नमूने के एक चौथाई से भी कम थे, लेकिन उनमें से 29 ने सांप के जीन को ले लिया - दुनिया भर में पाए जाने वाले सभी स्थानान्तरण का एक स्पष्ट बहुमत। इसके अलावा, मेंढक वंश के कम से कम दो का अधिग्रहण नहीं हुआ बोवबी जब तक उनके पूर्वज अफ्रीका से मेडागास्कर चले गए।

कागज के बारे में सबसे दिलचस्प बात, ग्राहम ने कहा, "क्या यह दिखा रहा है कि स्थानांतरण की दर एक समान नहीं है। यह भौगोलिक क्षेत्रों में व्यापक रूप से भिन्न होता है।" यदि दुनिया भर में जीन स्थानांतरण को देखने के लक्ष्य के साथ और अधिक अध्ययन निर्धारित किए गए हैं - यह देखते हुए कि अलग-अलग जगहों पर अलग-अलग दरों पर स्थानान्तरण हुआ है - जो हम पाते हैं वह हमें आश्चर्यचकित कर सकता है। शायद भूगोल हमारी अपेक्षा से अधिक मायने रखता है।

क्या मेडागास्कर के पर्यावरण के बारे में कुछ ऐसा है जो इसे जीन स्थानान्तरण के लिए एक गर्म स्थान बनाता है? कोई नहीं जानता। कुराबायाशी का कहना है कि उन्हें और उनके समूह को सांप पर सबसे ज्यादा शक है बोवबी मेडागास्कर में दुनिया में कहीं और संस्करणों से अलग है जो खुद को एक नए मेजबान में लाने में थोड़ा बेहतर है।

लेकिन द्वीप पर परजीवियों की बहुतायत भी एक योगदान कारक हो सकती है। उदाहरण के लिए, "मेडागास्कर में, बहुत सारे जोंक हैं," कहा मिगुएल वेंस, जर्मनी में ब्राउनश्वेग प्रौद्योगिकी विश्वविद्यालय में एक पशु चिकित्सक और नए पेपर के लेखक। "यदि आप वर्षावन में हैं, तो आप उन्हें नोटिस करेंगे।" खून चूसने वाले जीव कई प्रकार के जानवरों को खाते हैं, जिनमें मेंढक और सांप भी शामिल हैं, और वे इंसानों के नमूने से ऊपर नहीं हैं। वेंस और उनके सहयोगियों ने अनुमान लगाया कि जोंक सांप के कूदने वाले जीन वाले रक्त को मेंढकों में ला सकते हैं, या शायद कूदने वाला जीन पहले से ही सांप के साथ पिछले संपर्कों से जोंक के अपने जीनोम में है। तब शायद एक अज्ञात वायरस बाकी काम करता है।

दुर्भाग्य से, इस तरह के क्षैतिज स्थानान्तरण कैसे हो सकते हैं, इसका वर्णन करने वाले परिदृश्यों को साबित करना या उनका खंडन करना आसान नहीं है। डीएनए अनुक्रमों को संरक्षित करने के लिए चयन के बिना, वे स्थानांतरण के आणविक साक्ष्य को मिटाते हुए, लंबे समय तक उत्परिवर्तित होते हैं और हाथापाई करते हैं। और अगर स्थानांतरण में कोई वायरस शामिल है, तो यह पहली जगह में बहुत कम सबूत छोड़ सकता है, ग्राहम ने कहा। इसलिए शोधकर्ताओं को यह जानने के लिए कि यह कैसे हो रहा है, इस अधिनियम में आनुवंशिक उछाल को पकड़ने की आवश्यकता हो सकती है।

भट्टाचार्य एक परियोजना के शुरुआती चरण में हैं, जिसका लक्ष्य बस यही करना है। येलोस्टोन नेशनल पार्क में लेमोनेड क्रीक के हॉट स्प्रिंग्स में, वह और उनके सहयोगी तबादलों के संकेतों की तलाश कर रहे हैं जो अभी भी पकड़ में आने की प्रक्रिया में हो सकते हैं। वे लाल शैवाल के डीएनए का अध्ययन कर रहे हैं जिन्होंने बैक्टीरिया से जीन को उठाया है जो कि स्प्रिंग्स में रहते हैं, जीन जो मूल से केवल छोटे अंतर रखते हैं। "हम लाखों साल पहले के बारे में बात नहीं कर रहे हैं," भट्टाचार्य ने कहा। "हम डीएनए के बारे में बात कर रहे हैं जो बहुत समान है, जो जीवन के दो अलग-अलग डोमेन में एक ही वातावरण में सह-अस्तित्व में है।"

यदि वैज्ञानिकों को पता चलता है कि आस-पास के झरनों में शैवाल में इनमें से किसी भी स्थानांतरित जीन की कमी है, तो वे एक पड़ोसी वसंत से अगले तक, शैवाल के माध्यम से बाहर की ओर बढ़ने वाले आनुवंशिक परिवर्तन की लहर की शुरुआत देख सकते हैं। प्रत्येक नया हॉट पूल एक परिवर्तन के कगार पर एक द्वीप हो सकता है।