Pengantar
Bertengger di atas daun di hutan hujan, katak mantella emas kecil menyimpan sebuah rahasia. Ini berbagi rahasia dengan katak berlidah garpu, katak buluh dan banyak katak lainnya di perbukitan dan hutan negara kepulauan Madagaskar, serta dengan boas dan ular lain yang memangsa mereka. Di pulau ini, banyak spesies hewannya tidak ditemukan di tempat lain, ahli genetika baru-baru ini membuat penemuan mengejutkan: Ditaburkan melalui genom katak adalah sebuah gen, BovB, yang sepertinya berasal dari ular.
Setelah meneliti genom dari spesies katak dan ular di seluruh dunia, para ilmuwan melaporkan pada bulan April di kertas in Biologi Molekuler dan Evolusi bahwa gen ini entah bagaimana telah berpindah dari ular ke katak setidaknya 50 kali di seluruh planet ini. Tetapi di Madagaskar ia telah memasukkan dirinya ke dalam katak dengan pergaulan bebas yang mengejutkan: 91% spesies katak yang dijadikan sampel di sana memilikinya. Sesuatu tampaknya membuat Madagaskar menjadi tempat yang sangat kondusif bagi gen untuk bergerak.
Ketika Atsushi Kurabayashi, seorang profesor di Institut Bio-Sains dan Teknologi Nagahama dan penulis senior makalah baru, pertama kali melihat versi ular dari gen pada katak, dia bingung. Dia bertanya kepada seorang rekan yang berspesialisasi dalam genomik tentang hal itu, dan rekan itu segera berteriak, "Itu pasti transfer horizontal!" — transfer gen dari satu spesies ke spesies lain, berbeda dengan pewarisan vertikal gen oleh anak dari orang tua.
Ledakan itu mengirim Kurabayashi ke jejak fenomena yang dulu dianggap sangat langka, meskipun munculnya pengurutan genom yang lebih baik membuat ahli biologi mengevaluasi kembali pendapat itu. Dan makalah baru ini, yang menunjukkan bahwa transfer gen secara horizontal mungkin lebih mungkin terjadi di beberapa tempat daripada di tempat lain, semakin memperumit cerita. Ini menunjukkan bahwa ketika mencari penjelasan untuk transfer horizontal, peneliti mungkin perlu melihat melampaui mekanisme genetik sederhana ke konteks ekologi di mana spesies hidup. Ahli genomik masih berjuang untuk memahami bagaimana perpindahan horizontal yang umum atau jarang terjadi pada organisme kompleks, tetapi beberapa tempat, seperti Madagaskar, mungkin menjadi titik panas bagi mereka.
Pengantar
Ketika Gen Berkeliaran
Transfer horizontal biasa terjadi pada bakteri. Organisme bersel tunggal yang memenuhi hampir setiap celah di planet ini mengambil gen dari lingkungan mereka semudah sikat serat mengambil bulu kucing. Itulah salah satu alasan mengapa resistensi bakteri terhadap antibiotik tersebar luas: Gen pelindung disebarkan dengan mudah, dan seleksi alam memastikan bahwa bakteri resisten mengalahkan tetangga mereka dan mewariskan gen mereka ke generasi berikutnya. Bakteri bertukar gen dengan sangat mudah sehingga beberapa ilmuwan bahkan mengusulkan bahwa bakteri terbentuk jaringan kehidupan terkait daripada pohon keluarga yang bercabang.
Sel-sel organisme eukariotik seperti manusia, katak dan ular, bagaimanapun, berbeda. Inti sel mereka biasanya tampak seperti benteng untuk melindungi genom. DNA dengan hati-hati digulung dan disimpan di perpustakaan benteng itu, dengan enzim yang memanggil hanya gen yang perlu mereka periksa pada waktu tertentu. Sel diisi dengan brankas untuk mencegah kerusakan pada DNA-nya dan untuk memperbaiki keausan. Jika genom itu seperti manuskrip bercahaya yang tak ternilai harganya, pustakawannya membawa pedang.
Namun demikian, contoh transfer gen horizontal yang melibatkan eukariota terus mengalir ke dalam literatur ilmiah. Ikan herring dan smelt, ikan yang tidak berhubungan yang berenang di perairan es Arktik, Pasifik utara, dan samudra Atlantik utara, telah gen yang sama persis untuk protein yang menjaga darah mereka dari pembekuan; itu mungkin melompat dari ikan haring ke smelts. Laurie Graham, seorang ahli biologi molekuler di Queen's University di Kanada, dan rekan-rekannya melaporkannya tahun lalu; temuan mereka sangat berlawanan dengan intuisi sehingga Graham mengalami kesulitan untuk menerbitkan karyanya.
Demikian pula, ahli biologi evolusi Etienne GJ Danchin dan rekan-rekannya di Institut Penelitian Nasional untuk Pertanian, Pangan dan Lingkungan di Prancis sedang belajar serangkaian enzim cacing nematoda yang didapat dari bakteri. Dan lebih dari 100 keluarga gen tampaknya telah melompat dari mikroba ke tanaman sejak lama, tulis Jin Ling Huang dari Eastern Carolina University dan rekan-rekannya dalam kertas tahun ini.
Ada alasan yang sangat jelas mengapa evolusi tersenyum pada beberapa transfer yang tidak mungkin ini. Ikan dengan gen tidak membeku. Enzim pencernaan nematoda memungkinkan mereka memeras lebih banyak energi dari dinding sel tanaman yang mereka makan. Karena sekelompok enzim yang diambil dari bakteri, ganggang merah yang tinggal di sumber air panas dipelajari oleh ahli biologi evolusi Merusak Bhattacharya dan muridnya Julia Van Etten di Universitas Rutgers dapat bertahan hidup dari kontak dengan zat yang jika tidak akan membunuh mereka. Jika sebuah gen meningkatkan kelangsungan hidup, tidak butuh waktu lama sebelum keturunan organisme pertama untuk mendapatkannya mengambil alih.
Namun, tidak semua gen pengembara ini membawa keuntungan. BovB adalah transposon yang terkenal, potongan materi genetik yang cenderung melompat-lompat secara acak di sekitar genom. Di satu sisi, lompatannya dari ular menjadi katak di Madagaskar — bagaimanapun itu terjadi — hanyalah lompatan yang lebih besar dari biasanya. Selain itu, meskipun transposon dapat memiliki efek mendalam pada genom, BovB bukan gen dengan fungsi dalam pengertian tradisional; hanya sedikit DNA yang membuat salinan dirinya sendiri. Kurabayashi mencatat bahwa meskipun kemungkinan itu BovB menguntungkan katak tidak dapat dikesampingkan, kemungkinan besar itu BovB bertahan melalui keberhasilan agresifnya sendiri pada duplikasi diri. Ini mungkin membantu menjelaskan mengapa ketika eukariota berakhir dengan materi genetik organisme lain, transposon seperti BovB sering terlibat.
Meskipun kelihatannya aneh bagi eukariota untuk mengambil gen dari bakteri, yang lebih aneh lagi adalah fakta bahwa contoh transfer gen horizontal ke arah lain jauh lebih jarang. Untuk beberapa alasan, bakteri tidak menginginkan gen kita. Gen eukariotik memiliki fitur struktural yang membuatnya kurang dari bahan yang sempurna untuk bakteri, tetapi mungkin ada faktor lain yang berkontribusi juga.
“Mungkin eukariota tidak memiliki gen yang diminati bakteri,” kata Patrick Keeling, seorang ahli biologi di University of British Columbia yang mempelajari transfer horizontal.
Akan Viral
Tidak seperti bakteri, virus memiliki kemampuan nyata untuk mengambil gen dari inang eukariotik mereka. Virus, khususnya yang disebut retrovirus, memiliki alat untuk masuk ke dalam sel dan inti inang, dan mereka ahli dalam menyisipkan materi genetik ke dalam genom inang. Hingga 8% genom manusia terdiri dari sisa retrovirus, fragmen infeksi lama dalam sejarah spesies kita.
Terkadang transfer juga berjalan sebaliknya. Di kertas diterbitkan dalam Mikrobiologi alam Desember lalu, Keeling, kolaboratornya Nicholas Irwin dari University of Oxford dan rekan mereka melakukan analisis komprehensif pertama dari transfer gen horizontal antara 201 eukariota dan 108,842 virus. Mereka menemukan bukti untuk lebih dari 6,700 transfer gen, dengan transfer host-to-virus sekitar dua kali lebih umum dari transfer virus-to-host. Mereka menyimpulkan bahwa transfer gen horizontal telah menjadi pendorong utama evolusi di kedua sisi: Virus sering menggunakan gen eukariotik yang mereka peroleh untuk menjadi lebih efektif dalam menginfeksi inangnya, sementara eukariota terkadang menggunakan elemen gen virus untuk membuat fitur baru atau mengaturnya. metabolisme dengan cara baru.
Temuan seperti ini telah meyakinkan beberapa ahli biologi bahwa setidaknya beberapa transfer gen horizontal dapat difasilitasi oleh virus. Jika virus dapat mengambil gen dari inang mereka, dan jika mereka dapat meninggalkan potongan genom mereka, tampaknya mungkin bahwa mereka kadang-kadang juga dapat mengangkut gen dari inang terakhir yang mereka infeksi, atau bahkan satu dari generasi yang lalu, dan memberikannya kepada tuan rumah baru.
Keterlibatan virus juga dapat membantu memecahkan teka-teki lain tentang transfer horizontal pada eukariota. Agar transfer terjadi, gen perjalanan perlu menghapus seluruh rangkaian rintangan. Pertama mereka harus berpindah dari spesies donor ke spesies inang baru. Kemudian mereka harus masuk ke dalam nukleus dan berlindung di dalam genom inang. Tetapi masuk ke genom sel mana pun tidak akan berhasil: Pada makhluk multiseluler seperti katak dan ikan haring, gen tidak akan diturunkan ke keturunan hewan kecuali jika dapat menyelinap ke sel germline — sperma atau telur.
Virus mungkin membuat rangkaian peristiwa itu lebih mungkin terjadi. Pada organisme kecil seperti nematoda, kata Danchin, saluran reproduksi dan sel germinalnya tidak jauh dari saluran usus, tempat virus yang tertelan pada makanan dapat mengendap. Karena katak melepaskan telur dan sperma mereka ke perairan terbuka, sel-sel tersebut berpotensi rentan terhadap virus di lingkungan yang dapat menyelipkan gen.
Bahkan dengan makhluk yang lebih besar, mungkin lebih mudah dari yang Anda pikirkan. Pada titik ini, itu masih merupakan ide spekulatif, tetapi “saluran reproduksi penuh dengan mikroba dan virus,” kata Danchin. “Kami tahu beberapa virus menginfeksi sel germinal secara khusus.”
Keeling menyarankan bahwa untuk memahami misteri transfer gen horizontal, mungkin kita harus memikirkannya sebagai konsekuensi ekologis dari perilaku organisme, tetangganya, dan lingkungannya. Jika gen yang ditransfer secara horizontal memberikan manfaat kelangsungan hidup, kemungkinan besar akan sangat bergantung pada skenario spesifik di mana penerima gen menemukan dirinya sendiri — laut es, sumber air panas, tanaman inang yang menggugah selera dengan pertahanan yang tangguh. "Mereka sangat terikat dengan ekologi di mana benda itu berada, tapi itu berubah," dia berspekulasi. Dengan pergeseran yang salah di lingkungan, gen yang ditransfer “tidak lagi menguntungkan, dan hilang.”
Petunjuk Ekologis
Transfer gen horizontal pada eukariota mungkin terjadi sepanjang waktu: di kolam di halaman belakang Anda, di tanah di bawah kaki Anda, pada hewan, serangga, dan tumbuhan yang membentuk ekosistem. “Saya pikir ada lebih banyak transfer daripada yang kita tahu,” kata Bhattacharya. “Kami hanya tidak melihat mereka karena mereka tersapu bersih.”
Untuk memeriksa seberapa umum katak memiliki ular BovB, tim Kurabayashi menghubungi rekan-rekan mereka untuk mengambil sampel katak dari seluruh dunia untuk pengurutan DNA. Mereka menemukan bahwa dari 149 spesies, 50 kembali dengan BovB. Ke-32 katak Malagasi yang mereka uji terdiri kurang dari seperempat dari semua spesies sampel, tetapi 29 di antaranya membawa gen ular — mayoritas jelas dari semua transfer yang ditemukan di seluruh dunia. Selain itu, setidaknya dua dari garis keturunan katak tidak memperoleh BovB sampai setelah nenek moyang mereka bermigrasi dari Afrika ke Madagaskar.
Hal yang paling menarik dari kertas tersebut, kata Graham, “adalah menunjukkan kecepatan transfer yang tidak seragam. Ini sangat bervariasi di antara wilayah geografis. ” Jika lebih banyak penelitian dimulai dengan tujuan melihat transfer gen di seluruh dunia — melihat apakah transfer terjadi pada tingkat yang berbeda di tempat yang berbeda — apa yang kami temukan mungkin mengejutkan kami. Mungkin geografi lebih penting daripada yang kita duga.
Apakah ada sesuatu tentang lingkungan Madagaskar yang membuatnya menjadi tempat yang menarik untuk transfer gen? Tidak ada yang tahu. Kurabayashi mengatakan bahwa dia dan kelompoknya sangat mencurigai ular itu BovB di Madagaskar berbeda dari versi di tempat lain di dunia karena hanya sedikit lebih baik dalam membuat dirinya menjadi tuan rumah baru.
Tetapi kelimpahan parasit di pulau itu mungkin juga menjadi faktor penyebabnya. Misalnya, "di Madagaskar, ada banyak lintah," kata Miguel Vences, seorang herpetologis di Universitas Teknologi Braunschweig di Jerman dan penulis makalah baru. “Jika Anda berada di hutan hujan, Anda akan melihat mereka.” Makhluk penghisap darah ini memakan banyak jenis hewan, termasuk katak dan ular, dan mereka tidak hanya mengambil sampel manusia. Vences dan rekan-rekannya berspekulasi bahwa lintah dapat membawa darah yang mengandung gen pelompat ular ke dalam katak, atau mungkin gen pelompat sudah ada dalam genom lintah itu sendiri dari kontak sebelumnya dengan ular. Kemudian mungkin virus tak dikenal melakukan sisanya.
Sayangnya, tidak mudah untuk membuktikan atau menyangkal skenario yang menjelaskan bagaimana transfer horizontal seperti itu mungkin terjadi. Tanpa seleksi untuk mengawetkan urutan DNA, mereka cenderung bermutasi dan diacak dalam jangka waktu yang lama, menghapus bukti molekuler dari transfer. Dan jika virus terlibat dalam transfer, mungkin hanya meninggalkan sedikit bukti, kata Graham. Oleh karena itu, para peneliti mungkin hampir perlu menangkap lompatan genetik dalam tindakan untuk mengetahui bagaimana hal itu terjadi.
Bhattacharya sedang dalam tahap awal proyek yang bertujuan untuk melakukan hal itu. Di mata air panas di Lemonade Creek di Taman Nasional Yellowstone, dia dan rekan-rekannya mencari tanda-tanda perpindahan yang mungkin masih dalam proses berlangsung. Mereka mempelajari DNA ganggang merah yang mengambil gen dari bakteri yang juga hidup di mata air, gen yang hanya memiliki sedikit perbedaan dari aslinya. “Kita tidak berbicara tentang jutaan tahun yang lalu,” kata Bhattacharya. “Kita berbicara tentang DNA yang sangat mirip, yang hidup berdampingan dalam dua domain kehidupan yang berbeda, di lingkungan yang sama.”
Jika para ilmuwan menemukan bahwa ganggang di mata air terdekat kekurangan gen yang ditransfer ini, maka mereka mungkin menyaksikan awal dari riak perubahan genetik yang bergerak keluar melalui ganggang, dari satu mata air tetangga ke mata air berikutnya. Setiap kolam air panas baru mungkin menjadi pulau di ambang transformasi.
