DNA אנוכי, דמוי וירוס יכול לשאת גנים בין מינים | מגזין קוונטה

ביולוגים הבינו את קווי המתאר הרחבים של כללי הירושה במשך יותר ממאה שנה: שגנים מועברים מהורה לילד בתוך המינים. אבל בשנים האחרונות, הם גם הפכו מודעים לגנים שמסתובבים ומקפצים לרוחב בין מינים - בין אם הם גנים של צפרדעים במדגסקר שהגיע במקור מנחשים, או גנים נגד הקפאה שנמצאים בדגי מים קרים כמו הרינג זה מועברים למריחות. המנגנון המאפשר העברת גנים זו לא היה ברור, אם כי על פי החשד נגיפים ממלאים תפקיד.

במחקר חדש פורסם ב מדע, חוקרים זיהו מחלקה ייחודית של יסודות גנטיים כסוכנים האחראים להעברת גנים מסוימים בין מינים מרובים של חסרי חוליות פשוטים הנקראים תולעים עגולות. קפיצה מתולעת אחת לאחרת אולי לא נשמעת כמו הרבה, אבל התולעים המדוברות התפצלו לפני מיליוני שנים רבות, מה שהפך אותן לשונות ברמה המולקולרית כמו דגים ובני אדם. היסודות הגנטיים, הנקראים מאבריקס, התגלו במגוון רחב של בעלי חיים, הן חסרי חוליות והן בעלי חוליות, והם מציגים תכונות רבות המצויות בגנום של וירוסים. בהתחשב בתכונות הללו, החוקרים חושדים בכך מאבריקס - ואלמנטים דומים, כולל כמה שטרם התגלו - אולי תיווכו העברות גנים אופקיות לאורך ההיסטוריה של החיים.

בעוד שחיידקים, וירוסים ופרוטיסטים רבים מחליפים DNA לעתים קרובות, לבעלי חיים רב-תאיים יש מחסומי הגנה סביב תאי הרבייה שלהם, שבדרך כלל מונעים קליטה של ​​DNA זר. אירינה ארכיפובהגנטיקאי מולקולרי במעבדה ביולוגית ימית בוודס הול, מסצ'וסטס, שלא היה מעורב במחקר, אמר שהוא חושף כיצד "ניתן לשבור את המחסומים מדי פעם" בכמה שושלות של בעלי חיים להעברת גנים.

מסיבה זו, אלמנט DNA המקודד את היכולת להעביר גנים לגנום של מין שונה לחלוטין הוא "תגלית די גדולה", אמר. שרה זנדרס, גנטיקאי במכון סטאוורס למחקר רפואי, שגם הוא לא היה מעורב במחקר.

מחקרים קודמים של העברות אופקיות התמקדו לעתים קרובות באלמנטים הגנטיים הניידים הנקראים טרנספוזונים. "גנים קופצים" מיוחסים אלה יכולים לדלג סביב הגנום של אורגניזם על ידי שכפול עצמם והכנסת העותקים שלהם. הדאגה היחידה שלהם היא לקדם את ההישרדות שלהם בתוך הגנום ולא את הכושר של האורגניזם, וזו הסיבה שהם מסווגים לעתים קרובות כגנים "אנוכיים". מכיוון שלתולעים עגולות יש מחזור חיים מהיר ותוכנית גוף פשוטה, הן מודל של אורגניזמים אידיאליים לחקר סוג זה של טפילות גנטית.

חלק מהתולעים העגולות נושאות אלמנט גנטי שהוא אנוכי עד כדי כך מרתק, שהישרדות של צאצאים תלויה בירושה של עותק אחד לפחות שלו. הוא מכיל צמד גנים, אחד המקודד לחלבון רעיל ואחד המקודד לתרופה המנטרלת את הרעלן. תולעת אם הנושאת את האלמנט הזה מפקידה את הרעלן בביציה. כשהביציות מופרות, רק צאצאים שיכולים לבטא את הגן נגד התרופה שורדים. זה כאילו אלמנט הרעלן-נוגדן לקח את הגנום של התולעת כבן ערובה כדי להבטיח את התפשטותה.

הדבקת גנים בין גנומים

ב- 2021, מתי ישראל קמפו בס היה סטודנט לתואר שני במכון לביוטכנולוגיה מולקולרית של האקדמיה האוסטרית למדעים בווינה, לפעמים הוא עבד עד מאוחר בחיפוש אחר גנים הקשורים למרכיבים הגנטיים של רעלן-נוגדן בתולעים עגולות שונות. בליל קיץ סוער אחד, כמעט 2 לפנות בוקר, הוא הבחין במשהו. גן הרעלן בתולעת אחת נראה כמעט בדיוק כמו גן לתפקוד שונה במין אחר של תולעת. הם היו דומים להפליא - עם כמעט 97% דמיון נוקלאוטידים. "זה נראה כאילו תולעת אחת העתקה את הגנים שלה ואיכשהו הדביקה אותם לתוך הגנום של האחרת", אמר.

"מצאתי את זה די מפתיע גם כן," אמר אלחנדרו בורגה, הגנטיקאי המולקולרי הבכיר במעבדה. כדי לחשוף את מקורם של האלמנטים המשותפים, החליטו בורגה והצוות לבחון את ה-DNA שמסביב. הם הבחינו ברצפים חוזרים ונשנים ב-DNA שמאגף את הגנים - תכונה של טרנספוזונים המסייעת לקפיצה שלהם בתוך גנום על ידי הבטחה שהעותקים שהוכנסו שומרים על הכיוון הנכון. הצוות גם גילה שרידים של כמה גנים ויראליים: אחד לחלבון קפסיד עוטף, אחד שמסייע בדרך כלל לשכפול ויראלי, ואחד עבור "דבק" המשלב DNA ויראלי בגנום המארח.

"זה היה כמו חפירה ארכיאולוגית - המשכנו לחשוף רמזים", אמר בורגה.

התמונה המלאה של הגנום חשפה כי הגן המועבר היה מוטבע בתוך קבוצה של גנים דמויי וירוס וטרנספוזון, שכולם זיהה בורגה כמרכיבים עצמאי.

מאבריקס הם מחלקה עתיקה ומפוצלת של גנים קופצים הרווחים בגנום של פרוטיסטים, פטריות ובעלי חיים, כולל בני אדם. היסודות הניידים המאסיביים הללו היו בתחילה ההנחה שהם שרידים לא פעילים, שעברו מוטציה, של גנים מיושנים. אבל מחקר מאוחר יותר גילה את זה מאבריקס ניתן להפעיל מחדש, וכי הם יכולים לתווך העברת גנים אופקית בין מינים מסוימים של פרוטיסטים. שלם, שלם מאבריקס מעולם לא אופיינו באורגניזם רב תאי. התולעים העגולות הציגו אפוא הזדמנות נדירה לחקור אותן.

השמיים עצמאי באחת מהתולעים העגולות הללו, לעומת זאת, היה גן נוסף - אחד המקודד לחלבון הנקרא fusogen המאפשר לנגיף להתמזג עם תא ולהעביר את הגנום שלו לתוכו. "ללא fusogen, לא תהיה דרך לנגיף להעביר את הגנים שלו", אמר סוניה אנג'לין ווידן, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדה של בורגה ומחבר מוביל עם Bes של המחקר החדש. גילוי החלבון הצביע מאוד על כך עצמאי הייתה בעלת יכולת ליצור חלקיק דמוי וירוס ולפלוש לסוגי תאים שונים.

מאבריקס תעשה את הבלתי שגרתי

הצוות של בורגה כרה במהירות את מסד הנתונים של גנום התולעים העגולות עבור דוגמאות אחרות של גנים המוטבעים כמו מטען להובלה ב מאבריקס. עד מהרה התברר שהמקרה שמצאו לא היה מקרה בודד של העברת גנים אופקית. בלמעלה מ-100 גנומים של תולעים עגולים המשתרעים על פני 11 סוגים או יותר, שתי משפחות של גנים נלקחו לעתים קרובות כמטען על ידי עצמאי חלקיקים ומועברים באופן נרחב בין מינים. שרידים שלמים ולא שלמים של היסודות הגנטיים חלחלו לאוכלוסיות תולעים שונות ברחבי העולם, מצפון אמריקה ועד הודו ועד למכרה זהב בעומק קילומטרים בדרום אפריקה.

למרות שהראיות הנסיבתיות מצביעות על כך עצמאי אפשרו העברה אופקית של גנים בין מיני התולעים העגולות, החוקרים עדיין לא תפסו אותה בשעת מעשה. בורגה וצוותו מכירים בכך שהצעד הבא החשוב שלהם יהיה למצוא דרך לגרום לווירוסים עצמאי חלקיקים נוצרים בזמן שהם צופים בהם תחת מיקרוסקופ.

לעבודה יכולה להיות תועלת מעשית. מינים רבים של תולעים עגולות הם טפילים שמדביקים גידולים חקלאיים ובעלי חיים. אם החוקרים מבינים איך מאבריקס עבודה, אולי אפשר יהיה להשתמש בהם כדי לשלוט בטפילים על ידי החדרת גנים לתוכם.

"זה לא משהו שאנחנו יכולים לעשות בצורה הנכונה", אמר בורגה, "אבל אני מקווה שבעוד כמה שנים."

יש סיבה להאמין שהעברת גנים באמצעות טרנספוזונים מסיביים עשויה להיות נפוצה יותר בטבע. מחקר אחרון בהובלת אהרון ווגאן מאוניברסיטת אופסלה בשבדיה מצאה מסיבית אלמנטים גנטיים ניידים הנקראים ספינות חלל שמעבירים גנים בכמה מינים של פטריות. ווגאן חושד בכך ספינות חלל העברת גנים מרכזיים בין פתוגנים פטרייתיים עשויה ליצור את הזנים החדשים הגורמים למגיפות מתגלגלות של מחלות חיטה, כמו כתם שיזוף (כתם עלה צהוב). המחלות גרמו לאובדן יבול גדול ברחבי העולם מאז שנות ה-1970, עם אובדן של למעלה מ-50% מהיבול במקרים קיצוניים. "לכן הבנת הדינמיקה של שינויים בגנום מהעברת גנים אופקית כזו משפיעה על כל הביולוגיה", אמר ווגאן.

חוקרים הבינו שאלמנטים גנטיים דמויי טרנספוזון הם "מניעי מפתח של התפתחות הגנום", אמר זנדרס. כדי להבין באמת גנומים, עלינו להבין את "היסודות האנוכיים" הללו שיכולים לקפוץ בין מינים, היא הוסיפה.