Bevezetés
Az esőerdőben egy levélen ülve az apró arany mantellás béka rejteget egy titkot. Megosztja ezt a titkot a villanyelvű békával, a nádibékával és számtalan más békával a Madagaszkár szigetországának dombjaiban és erdeiben, valamint a rájuk ragadozó boákkal és más kígyókkal. Ezen a szigeten, amelynek állatfajai közül sok sehol máshol nem fordul elő, a genetikusok nemrég meglepő felfedezést tettek: a békák genomjába beleszórva van egy gén, BovB, ami látszólag a kígyóktól származott.
A tudósok a világ minden tájáról származó béka- és kígyófajok genomját vizsgálták meg, áprilisban jelentették be egy papír in Molekuláris biológia és evolúció hogy ez a gén valahogyan legalább 50-szer eljutott a kígyóktól a békákig az egész bolygón. Ám Madagaszkáron megdöbbentő promiszkuitással beágyazódott a békák közé: az ott mintavételezett békafajok 91%-a rendelkezik vele. Valami úgy tűnik, hogy Madagaszkárt kivételesen kedvező hellyé teszi a gén számára, hogy mobilizálódjon.
Amikor Atsushi Kurabayashi, a Nagahamai Biotudományi és Technológiai Intézet docense és az új cikk vezető szerzője először látta meg a gén kígyóváltozatát a békákban, és értetlenül állt. Megkérdezte egy genomikára szakosodott kollégáját, aki azonnal felkiáltott: „Bizonyára vízszintes transzfer!” — egy gén átvitele egyik fajból a másikba, ellentétben a gének vertikális öröklődésével, amelyet egy gyermek a szülőtől örököl.
Ez a kirobbanás Kurabayashit egy korábban rendkívül ritka jelenségnek tartott jelenség nyomába állította, bár a jobb genomi szekvenálás térnyerése miatt a biológusok újraértékelték ezt a véleményt. És ez az új dokumentum, amely azt mutatja, hogy a gének horizontális átvitele egyes helyeken valószínűbb, mint máshol, még jobban bonyolítja a történetet. Azt sugallja, hogy amikor a horizontális transzferekre keresnek magyarázatot, a kutatóknak az egyszerű genetikai mechanizmusokon túl az ökológiai kontextusokra kell tekinteniük, amelyben a fajok élnek. A genomikusok még mindig küzdenek, hogy megértsék, mennyire gyakori vagy ritka a horizontális transzfer az összetett organizmusokban, de egyes helyek, például Madagaszkár, forró pontok lehetnek számukra.
Bevezetés
Amikor a gének vándorolnak
A vízszintes átvitel általános jelenség a baktériumokban. A nyüzsgő egysejtű élőlények, amelyek a bolygó szinte minden rését benépesítik, olyan könnyen felszedik a géneket a környezetükből, mint a szöszkefe a macskaszőrt. Ez az egyik oka annak, hogy a baktériumok antibiotikumokkal szembeni rezisztenciája széles körben elterjedt: a védőgének könnyen átadhatók, a természetes szelekció pedig biztosítja, hogy a rezisztens baktériumok felülmúlják szomszédaikat, és génjeiket továbbadják a következő generációnak. A baktériumok olyan könnyen felcserélik a géneket, hogy egyes tudósok azt is feltételezték, hogy baktériumok keletkeznek a kapcsolódó élet hálója nem pedig egy elágazó családfa.
Az eukarióta szervezetek, például az emberek, a békák és a kígyók sejtjei azonban eltérőek. Sejtmagjuk általában a genom védelmére szolgáló erődítménynek tűnik. A DNS-t gondosan felcsavarják és a fellegvár könyvtárában tárolják, ahol az enzimek csak azokat a géneket hívják elő, amelyeket mindenkor meg kell vizsgálniuk. A sejt meg van töltve hibabiztosítóval, hogy megakadályozza a DNS károsodását és javítsa a kopást. Ha a genom olyan, mint egy felbecsülhetetlen értékű megvilágított kézirat, akkor a könyvtárosok kardokat hordanak maguknál.
Mindazonáltal az eukarióták bevonásával végzett horizontális géntranszferek példái folyamatosan beszivárognak a tudományos irodalomba. Az Északi-sarkvidék jeges vizeiben, a Csendes-óceán északi részén és az Atlanti-óceán északi részén úszkáló, nem rokon halak, a heringek és szagok. pontosan ugyanaz a gén egy fehérjére, amely megakadályozza a vérük megfagyását; valószínűleg a heringből ugrott szagokká. Laurie Graham, a kanadai Queen's Egyetem molekuláris biológusa és kollégái tavaly számoltak be róla; megállapításaik annyira ellentmondóak voltak, hogy Graham nehezen tudta publikálni a munkát.
Hasonlóképpen az evolúcióbiológus Etienne GJ Danchin és kollégái a franciaországi Nemzeti Mezőgazdasági, Élelmiszer- és Környezetvédelmi Kutatóintézetben tanulnak enzimek sorozata hogy a fonálférgek baktériumoktól kapták. És úgy tűnik, hogy több mint 100 géncsalád már régen mikrobákból növényekké ugrott – írta Jinling Huang az Eastern Carolina University és munkatársai egy papírban ebben az évben.
Gyönyörűen világos okai vannak annak, hogy az evolúció miért mosolygott néhány ilyen valószínűtlen átvitelen. A génnel rendelkező halak nem fagynak meg. A fonálférgek emésztőenzimjei lehetővé teszik számukra, hogy több energiát csavarjanak ki az általuk fogyasztott növények sejtfalából. A baktériumokból felszedett enzimek csoportja miatt az evolúciós biológus tanulmányozta a forró forrásokban élő vörös algákat. Debashish Bhattacharya és a tanítványa Julia Van Etten A Rutgers Egyetemen túlélhetik az olyan anyagokkal való érintkezést, amelyek egyébként megölnék őket. Ha egy gén elősegíti a túlélést, nem kell sok idő, míg az elsőként megszerzett organizmus leszármazottai átveszik a hatalmat.
Ezek a vándorgének azonban nem feltétlenül hordoznak előnyt. BovB egy jól ismert transzpozon, a genetikai anyag töredéke, amely hajlamos véletlenszerűen ugrálni a genom körül. Bizonyos értelemben a kígyókból a békákba ugrásai Madagaszkáron – akárhogyan is történtek – csak furcsán nagyobb ugrások a szokásosnál. Sőt, bár a transzpozonok rendelkezhetnek mélyreható hatások a genomokra, BovB nem a hagyományos értelemben vett funkcióval rendelkező gén; ez csak egy darab DNS, amely másolatokat készít önmagáról. Kurabayashi megjegyzi, hogy bár a lehetőség, hogy BovB a békák hasznát nem lehet kizárni, valószínűbb BovB kitart a maga agresszív sikerén keresztül az önmegkettőzés terén. Ez segíthet megmagyarázni, miért van az, hogy amikor az eukarióták más élőlények genetikai anyagával összekeverednek, transzpozonok, mint BovB gyakran érintettek.
Bármennyire is furcsának tűnik, hogy az eukarióták géneket szednek fel a baktériumokból, mégis furcsa az a tény, hogy a vízszintes, ellenkező irányú génátvitel példái sokkal ritkábban fordulnak elő. Valamiért a baktériumok nem akarják a génjeinket. Az eukarióta gének olyan szerkezeti sajátosságokkal rendelkeznek, amelyek kevésbé teszik tökéletes anyaggá a baktériumok számára, de lehetnek más tényezők is.
"Talán az eukarióták nem rendelkeznek olyan génekkel, amelyek a baktériumokat érdeklik" - mondta Patrick Keeling, a British Columbia Egyetem biológusa, aki a horizontális transzfereket tanulmányozza.
Megy vírus
A baktériumokkal ellentétben a vírusok igazi képességgel bírnak géneket felvenni eukarióta gazdáikból. A vírusok, különösen a retrovírusok, rendelkeznek azokkal az eszközökkel, amelyek segítségével bejuthatnak a gazdasejtekbe és a sejtmagokba, és mesterei a genetikai anyag beillesztésének a gazdaszervezet genomjába. Az emberi genom akár 8%-át retrovírusok maradványai teszik ki, fajunk történetében réges-régi fertőzések töredékei.
Néha az átvitel másfelé is történik. Ban ben egy papír kiadva Természet Microbiology tavaly decemberben Keeling, a munkatársa Nicholas Irwin Az Oxfordi Egyetem munkatársa és munkatársai elvégezték az első átfogó elemzést 201 eukarióta és 108,842 6,700 vírus közötti horizontális géntranszferről. Bizonyítékot találtak több mint XNUMX génátvitelre, a gazdaszervezetről a vírusra történő átvitel körülbelül kétszer olyan gyakori, mint a vírusok közötti átvitel. Arra a következtetésre jutottak, hogy a horizontális géntranszfer mindkét oldalon az evolúció fő mozgatórugója volt: a vírusok gyakran használták fel az általuk megszerzett eukarióta géneket, hogy hatékonyabban fertőzzék meg gazdáikat, míg az eukarióták néha a vírusgének elemeit használták fel új tulajdonságok létrehozására vagy szabályozására. az anyagcserét új módokon.
Az ehhez hasonló eredmények meggyőztek néhány biológust arról, hogy legalább néhány horizontális génátvitelt elősegíthetnek a vírusok. Ha a vírusok képesek felvenni géneket a gazdáikból, és ha vissza tudnak hagyni genomjuk darabjait, lehetségesnek tűnik, hogy időnként átvihetik az általuk utoljára megfertőzött, vagy akár generációkkal ezelőtti géneket, és átadhatják őket új gazdát.
A vírusok bevonása egy másik, az eukariótákban történő vízszintes transzferrel kapcsolatos rejtvény megoldásában is segíthet. Ahhoz, hogy az átvitel megtörténjen, az utazó géneknek akadályok egész sorát kell leküzdeniük. Először a donorfajtól kell eljutniuk az új gazdafajhoz. Ezután be kell jutniuk a sejtmagba, és be kell épülniük a gazda genomjába. Bármelyik sejt genomjába azonban nem megy bele: a többsejtű lényekben, például a békákban és a heringekben, a gén nem kerül át az állat utódjaiba, hacsak nem tud besurranni egy csírasejtbe – spermába vagy tojásba.
A vírusok valószínűbbé tehetik ezt az eseménysorozatot. Danchin szerint az olyan kis szervezetekben, mint a fonálféreg, a szaporodási traktus és csírasejtjei nincsenek messze a bélrendszertől, ahol a táplálékkal bevitt vírusok megtelepedhetnek. Mivel a békák petéiket és spermájukat a nyílt vízbe bocsátják, ezek a sejtek potenciálisan sebezhetőek a környezetben lévő vírusokkal szemben, amelyek becsúszhatnak a génekbe.
Még nagyobb lényekkel is könnyebb lehet, mint gondolnád. Jelenleg ez még csak spekulatív ötlet, de „a reproduktív traktus tele van mikrobákkal és vírusokkal” – mondta Danchin. "Tudjuk, hogy egyes vírusok kifejezetten csírasejteket fertőznek meg."
Keeling azt sugallja, hogy a horizontális géntranszfer titkának megértéséhez talán úgy kell tekintenünk rájuk, mint egy szervezet viselkedésének, szomszédjainak és környezetének ökológiai következményeire. Ha egy vízszintesen átvitt gén túlélési előnyökkel jár, az valószínűleg nagymértékben függ attól a konkrét forgatókönyvtől, amelyben a gén befogadója találkozik – jeges tenger, forró forrás, étvágygerjesztő gazdanövény kemény védekezéssel. "Annyira kötődnek az ökológiához, ahol ez a dolog van, de ez megváltozik" - spekulált. A környezet rossz eltolódásával az átvitt gén „már nem előnyös, és elveszett”.
Ökológiai nyomok
Az eukariótákban folyamatosan vízszintes géntranszferek történhetnek: a kertben lévő tóban, a lábad alatti talajban, az állatokban, rovarokban és növényekben, amelyek az ökoszisztémát alkotják. „Szerintem sokkal több az átadás, mint amennyit tudunk” – mondta Bhattacharya. „Egyszerűen nem látjuk őket, mert kisöpörték őket.”
Annak ellenőrzésére, hogy a békáknak milyen gyakori a kígyója BovB, Kurabayashi csapata megkereste kollégáit DNS-szekvenálás céljából a világ minden tájáról származó békák mintáiért. Azt találták, hogy a 149 fajból 50 jött vissza BovB. Az általuk vizsgált 32 madagaszkári béka a mintavételezett fajok kevesebb mint egynegyedét tette ki, de közülük 29 hordozta a kígyógént – ez a világszerte talált átvitelek egyértelmű többsége. Ráadásul a békavonalak közül legalább kettő nem szerezte meg BovB mígnem őseik Afrikából Madagaszkárra vándoroltak.
Graham szerint a lapban a legérdekesebb dolog az, hogy azt mutatja, hogy az átvitel sebessége nem egyenletes. Ez földrajzi régiónként nagyon eltérő.” Ha több tanulmány indul azzal a céllal, hogy megvizsgálja a génátvitelt szerte a világon – hogy kiderüljön, hogy a transzferek különböző ütemben történtek-e különböző helyeken –, amit találunk, meglepő lehet bennünket. Talán a földrajz többet számít, mint azt várnánk.
Van valami Madagaszkár környezetében, ami a géntranszferek forró pontjává teszi? Senki sem tudja. Kurabayashi azt mondja, hogy ő és csoportja gyanakszik a legerősebben a kígyóra BovB A madagaszkári változat abban különbözik a világ más részein készült verzióktól, hogy egy kicsit jobban képes új gazdára találni.
De a szigeten található rengeteg parazita is hozzájárulhat ehhez. Például „Madagaszkáron sok pióca van” – mondta Miguel Vences, a németországi Braunschweigi Műszaki Egyetem herpetológusa és az új tanulmány szerzője. "Ha az esőerdőben vagy, észreveszed őket." A vérszívó lények sokféle állattal táplálkoznak, beleértve a békákat és a kígyókat is, és nem érik el az embereket. Vences és munkatársai azt feltételezik, hogy a piócák a kígyó ugrógénjét tartalmazó vért juttathatják a békákba, vagy az ugrálógén már a pióca saját genomjában van a kígyókkal való korábbi érintkezésből. Aztán lehet, hogy egy azonosítatlan vírus elvégzi a többit.
Sajnos nem könnyű bizonyítani vagy cáfolni azokat a forgatókönyveket, amelyek leírják, hogyan történhetett meg az ilyen horizontális átvitel. A DNS-szekvenciák megőrzését célzó szelekció nélkül hajlamosak mutációra, és hosszú időn keresztül összezavarodnak, így eltüntetik az átvitel molekuláris bizonyítékait. Ha pedig egy vírus is részt vesz az átvitelben, az eleve nagyon kevés bizonyítékot hagyhat maga után, mondta Graham. A kutatóknak ezért szinte el kell érniük egy genetikai ugrást, hogy megtudják, hogyan történik.
Bhattacharya egy olyan projekt korai szakaszában van, amelynek célja éppen ez. A Yellowstone Nemzeti Parkban található Lemonade Creek meleg forrásaiban kollégáival olyan átszállások jeleit keresik, amelyek még mindig tarthatnak. Olyan vörös algák DNS-ét tanulmányozzák, amelyek a forrásokban is élő baktériumokból vettek fel géneket, amelyek csak kis eltéréseket mutatnak az eredetiektől. „Nem az évmilliókról beszélünk” – mondta Bhattacharya. "Olyan DNS-ről beszélünk, amely nagyon hasonló, amely az élet két különböző területén él együtt, ugyanabban a környezetben."
Ha a tudósok úgy találják, hogy a közeli források algáiból hiányzik az átvitt gének bármelyike, akkor tanúi lehetnek egy genetikai változás hullámának, amely az algákon keresztül kifelé halad, egyik szomszédos forrásból a másikba. Minden új forró medence egy sziget lehet az átalakulás szélén.
