개요
열대 우림의 잎사귀 위에 앉아 있는 작은 황금색 만텔라 개구리는 비밀을 품고 있습니다. 그 비밀은 갈대개구리, 갈대개구리, 마다가스카르 섬나라의 언덕과 숲에 사는 수많은 다른 개구리들, 그리고 그들을 잡아먹는 보아와 다른 뱀들과도 공유합니다. 많은 동물 종이 다른 곳에서 발견되지 않는 이 섬에서 유전학자들은 최근에 놀라운 발견을 했습니다. 개구리의 게놈을 관통하는 유전자는, 보브비, 그것은 겉보기에 뱀에서 온 것 같습니다.
전 세계의 개구리와 뱀 종의 게놈을 조사한 후 과학자들은 XNUMX 월에보고했습니다. 종이 in 분자 생물학 및 진화 이 유전자는 어떻게 해서든 지구 전역에서 적어도 50번은 뱀에서 개구리로 이동했습니다. 그러나 마다가스카르에서는 놀라운 난잡함으로 개구리에 자신을 삽입했습니다. 그곳에서 샘플링된 개구리 종의 91%가 그것을 가지고 있습니다. 무언가가 마다가스카르를 유전자가 이동하기에 매우 유리한 장소로 만드는 것 같습니다.
인셀덤 공식 판매점인 쿠라바야시 아츠시나가하마 생명 과학 기술 연구소의 부교수이자 새로운 논문의 수석 저자인 그는 개구리에서 뱀 버전의 유전자를 처음 보고 의아해했습니다. 유전체학을 전공하는 동료에게 물었더니 동료는 곧바로 “수평전이구나!”라고 외쳤다. — 한 종에서 다른 종으로의 유전자 전달, 부모로부터 자식이 유전자를 수직적으로 물려받는 것과 대조적으로.
그 폭발은 Kurabayashi를 한때 매우 드물다고 생각했던 현상의 흔적을 남겼지만 더 나은 게놈 시퀀싱의 부상으로 생물학자들은 그 의견을 재평가했습니다. 그리고 유전자의 수평적 전달이 다른 곳보다 어떤 곳에서는 더 가능성이 높다는 것을 보여주는 이 새로운 논문은 이야기를 훨씬 더 복잡하게 만듭니다. 수평 이동에 대한 설명을 찾을 때 연구자들은 단순한 유전적 메커니즘을 넘어 종이 살고 있는 생태학적 맥락을 살펴볼 필요가 있을 수 있음을 시사합니다. 유전체학자들은 복잡한 유기체에서 수평 이동이 얼마나 흔하거나 드문지 이해하기 위해 여전히 고심하고 있지만 마다가스카르와 같은 일부 지역은 이들에게 핫스팟이 될 수 있습니다.
개요
유전자가 방황할 때
수평 이동은 박테리아에서 일반적입니다. 지구상의 거의 모든 틈새에 서식하는 수많은 단세포 유기체는 보푸라기가 고양이 털을 줍는 것처럼 쉽게 환경에서 유전자를 선택합니다. 이것이 항생제에 대한 박테리아 내성이 널리 퍼져 있는 한 가지 이유입니다. 보호 유전자는 쉽게 전달되고 자연 선택은 내성 박테리아가 이웃을 압도하고 다음 세대에 유전자를 전달하도록 합니다. 박테리아는 유전자를 너무 쉽게 교환하여 일부 과학자들은 박테리아가 관련된 삶의 그물 가지를 치는 가계도가 아니라.
그러나 인간, 개구리, 뱀과 같은 진핵 생물의 세포는 다릅니다. 그들의 세포 핵은 일반적으로 게놈을 보호하기 위한 요새처럼 보입니다. DNA는 조심스럽게 감겨져 그 요새의 라이브러리에 저장되며, 효소는 주어진 시간에 검사해야 하는 유전자만 불러옵니다. 세포에는 DNA 손상을 방지하고 마모를 수리하기 위한 안전 장치가 장착되어 있습니다. 게놈이 값을 매길 수 없는 필사본과 같다면 사서들은 칼을 들고 다닙니다.
그럼에도 불구하고, 진핵생물과 관련된 수평적 유전자 전달의 예는 과학 문헌에 계속 스며들고 있습니다. 청어와 빙어는 북극, 북태평양 및 북대서양의 얼음 바다에서 헤엄치는 관련 없는 물고기입니다. 정확히 같은 유전자 혈액이 얼지 않도록 하는 단백질; 그것은 아마도 청어에서 빙어로 뛰어 넘었을 것입니다. 로리 그레이엄, 캐나다 Queen's University의 분자생물학자와 그녀의 동료들은 작년에 그것을 보고했습니다. 그들의 발견은 너무 반직관적이어서 그레이엄은 그 작업을 출판하는 데 어려움을 겪었습니다.
마찬가지로 진화생물학자는 에티엔 GJ 단친 프랑스 국립농업식품환경연구소의 동료들이 연구하고 있습니다. 일련의 효소 그 선충류 벌레가 박테리아에서 얻은 것입니다. 그리고 100개 이상의 유전자 패밀리가 오래전에 미생물에서 식물로 도약한 것으로 보입니다. 황진링 이스턴 캐롤라이나 대학교 및 동료들의 종이에 올해.
진화가 이처럼 있을 법하지 않은 이전에 미소를 지은 데에는 아름답고 분명한 이유가 있습니다. 유전자를 가진 물고기는 얼지 않습니다. 선충류의 소화 효소는 그들이 먹는 식물의 세포벽에서 더 많은 에너지를 짜낼 수 있도록 합니다. 진화 생물학자가 연구한 온천에 서식하는 홍조류는 박테리아에서 얻은 효소 무리 때문에 데바시시 바타차랴 그리고 그의 학생 줄리아 반 에텐 Rutgers 대학에서 그렇지 않으면 그들을 죽일 수 있는 물질과의 접촉에서 살아남을 수 있습니다. 유전자가 생존을 촉진하면 첫 번째 유기체의 후손이 그것을 인수하는 데 오래 걸리지 않습니다.
그러나 이러한 모든 방황 유전자가 반드시 이점을 전달하는 것은 아닙니다. 보브비 잘 알려진 트랜스포존(transposon)은 게놈 주위를 무작위로 점프하는 경향이 있는 유전 물질의 스크랩입니다. 어떤 면에서 마다가스카르의 뱀에서 개구리로의 점프는 발생했지만 평소보다 기이하게 더 큰 도약입니다. 또한, 트랜스포존이 가질 수 있지만 게놈에 대한 지대한 영향, 보브비 전통적인 의미의 기능을 가진 유전자가 아닙니다. 자신을 복제하는 것은 단지 약간의 DNA일 뿐입니다. Kurabayashi는 다음과 같은 가능성이 있음에도 불구하고 보브비 혜택을 받은 개구리를 배제할 수 없으며, 그럴 가능성이 더 높습니다. 보브비 자기 복제에서 자신의 공격적인 성공을 통해 지속됩니다. 이것은 진핵생물이 다른 유기체의 유전 물질과 결합하게 되는 이유를 설명하는 데 도움이 될 수 있습니다. 같은 트랜스포존 보브비 자주 관여한다.
진핵생물이 박테리아로부터 유전자를 선택하는 것이 이상하게 보일지 모르지만, 여전히 이상한 것은 다른 방향으로 수평적 유전자 이동의 예가 훨씬 더 드물다는 사실입니다. 어떤 이유에서인지 박테리아는 우리 유전자를 원하지 않습니다. 진핵생물 유전자는 박테리아를 위한 완벽한 재료가 아닌 구조적 특징을 가지고 있지만 다른 기여 요인도 있을 수 있습니다.
“진핵생물에는 박테리아가 관심을 갖는 유전자가 없을 수도 있습니다.” 패트릭 킬링, 수평 이동을 연구하는 브리티시 컬럼비아 대학의 생물학자.
가는 바이러스 성
박테리아와 달리 바이러스는 진핵생물 숙주에서 유전자를 추출하는 진짜 재주가 있습니다. 바이러스, 특히 레트로바이러스라고 하는 바이러스는 숙주의 세포와 핵에 침투하는 도구를 가지고 있으며 유전 물질을 숙주 게놈에 삽입하는 대가입니다. 인간 게놈의 최대 8%는 우리 종의 역사에서 오래 전 감염의 단편인 레트로바이러스의 잔여물로 구성되어 있습니다.
때로는 전송이 다른 방향으로 진행되기도 합니다. ~ 안에 종이 에 게시 자연 미생물학 지난 XNUMX월 그의 동료인 Keeling이 니콜라스 어윈 옥스포드 대학의 연구진과 동료들은 201개의 진핵생물과 108,842개의 바이러스 사이의 수평적 유전자 전달에 대한 최초의 포괄적인 분석을 수행했습니다. 그들은 6,700개 이상의 유전자 전달에 대한 증거를 발견했으며, 숙주에서 바이러스로의 전이는 바이러스에서 숙주로의 전이보다 약 XNUMX배 더 일반적입니다. 그들은 수평적 유전자 전달이 양쪽 모두에서 진화의 주요 동인이었다고 결론지었습니다. 바이러스는 종종 숙주를 감염시키는 데 더 효과적인 진핵생물 유전자를 사용하는 반면, 진핵생물은 때때로 바이러스 유전자의 요소를 사용하여 새로운 특징을 생성하거나 유전자를 조절합니다. 새로운 방식의 신진대사.
이와 같은 발견은 일부 생물학자들에게 적어도 일부 수평적 유전자 전달이 바이러스에 의해 촉진될 수 있다고 설득했습니다. 바이러스가 숙주로부터 유전자를 선택하고 게놈의 조각을 남길 수 있다면, 때때로 감염된 마지막 숙주 또는 심지어 몇 세대 전의 유전자를 옮겨서 다른 사람에게 제공할 수도 있을 것 같습니다. 새로운 호스트.
바이러스의 개입은 또한 진핵생물의 수평 이동에 대한 또 다른 수수께끼를 푸는 데 도움이 될 수 있습니다. 전이가 일어나려면 이동하는 유전자가 일련의 장애물을 모두 제거해야 합니다. 먼저 그들은 기증자 종에서 새로운 숙주 종으로 이동해야합니다. 그런 다음 그들은 핵으로 들어가 숙주 게놈에 자리를 잡아야 합니다. 그러나 모든 세포의 게놈에 들어가는 것은 불가능합니다. 개구리와 청어와 같은 다세포 생물에서 유전자는 정자나 난자 같은 생식 세포에 몰래 들어갈 수 없는 한 동물의 자손에게 전달되지 않습니다.
바이러스로 인해 일련의 사건이 발생할 가능성이 높아집니다. Danchin은 선충류와 같은 작은 유기체에서 생식 기관과 그 생식 세포가 음식을 섭취한 바이러스가 정착할 수 있는 장관에서 멀지 않은 곳에 있다고 말했습니다. 개구리는 난자와 정자를 개방된 물에 방출하기 때문에 이러한 세포는 유전자가 들어갈 수 있는 환경의 바이러스에 잠재적으로 취약합니다.
더 큰 생물의 경우에도 생각보다 쉬울 수 있습니다. 현재로서는 여전히 추측에 불과하지만 “생식계는 미생물과 바이러스로 가득 차 있습니다.”라고 Danchin은 말했습니다. "우리는 일부 바이러스가 특정 생식 세포를 감염시킨다는 것을 알고 있습니다."
Keeling은 수평적 유전자 전달의 신비를 이해하려면 아마도 유기체의 행동, 이웃 및 환경의 생태학적 결과로 생각해야 한다고 제안합니다. 수평으로 전달된 유전자가 생존에 도움이 된다면, 유전자의 수용자가 자신을 발견하는 특정 시나리오(얼음 바다, 온천, 강력한 방어력을 지닌 식욕을 돋우는 숙주 식물)에 따라 크게 달라질 것입니다. "그들은 생태학에 너무 얽매여 있지만 변화하고 있습니다."라고 그는 추측했습니다. 환경의 잘못된 이동으로 인해 전달된 유전자는 "더 이상 유리하지 않으며 손실됩니다."
생태학적 단서
진핵생물의 수평적 유전자 전달은 뒤뜰의 연못, 발 아래의 토양, 생태계를 구성하는 동물, 곤충 및 식물에서 항상 발생할 수 있습니다. Bhattacharya는 "우리가 아는 것보다 훨씬 더 많은 이적이 있다고 생각합니다. “그들이 쓸어버리기 때문에 우리는 그들을 보지 못합니다.”
개구리가 뱀을 가지고 있는 빈도를 확인하려면 보브비, Kurabayashi의 팀은 DNA 시퀀싱을 위해 전 세계의 개구리 샘플에 대해 동료들에게 손을 내밀었습니다. 그들은 149종 중 50종이 보브비. 그들이 테스트한 32마리의 마다가스카르 개구리는 샘플링된 모든 종의 29분의 XNUMX 미만을 차지했지만 그 중 XNUMX마리는 뱀 유전자를 가지고 있었습니다. 게다가, 개구리 혈통 중 적어도 두 개는 보브비 그들의 조상이 아프리카에서 마다가스카르로 이주할 때까지.
Graham은 이 논문에서 가장 흥미로운 점은 “전송률이 균일하지 않다는 것을 보여주고 있다는 것입니다. 지리적 지역에 따라 크게 다릅니다.” 더 많은 연구가 전 세계적으로 유전자 전이를 관찰하는 것을 목표로 시작한다면(전이가 다른 장소에서 다른 속도로 발생했는지 여부를 확인) 우리가 발견한 사실이 우리를 놀라게 할 수 있습니다. 아마도 지리는 우리가 예상하는 것보다 더 중요합니다.
마다가스카르를 유전자 전달의 핫스팟으로 만드는 환경이 있습니까? 아무도 모른다. Kurabayashi는 그와 그의 그룹이 뱀을 가장 강력하게 의심한다고 말합니다. 보브비 마다가스카르의 버전은 새로운 호스트에 적응하는 데 조금 더 능숙하다는 점에서 세계 다른 곳의 버전과 다릅니다.
그러나 섬에 풍부한 기생충도 원인이 될 수 있습니다. 예를 들어, "마다가스카르에는 거머리가 많습니다."라고 말했습니다. 미구엘 방스, 독일 브라운슈바이크 공과대학의 포식학자이자 새 논문의 저자입니다. "당신이 열대 우림에 있다면, 당신은 그것들을 알아차릴 것입니다." 흡혈 생물은 개구리와 뱀을 포함하여 많은 종류의 동물을 먹으며 인간을 표본으로 삼지 않습니다. Vences와 그의 동료들은 거머리가 뱀의 점프 유전자를 포함하는 혈액을 개구리로 가져올 수 있거나 아마도 점프 유전자가 뱀과의 이전 접촉에서 이미 거머리 자신의 게놈에 있을 수 있다고 추측합니다. 그러면 미확인 바이러스가 나머지를 처리할 수 있습니다.
불행히도 그러한 수평적 이동이 어떻게 발생했는지 설명하는 시나리오를 증명하거나 반증하는 것은 쉽지 않습니다. DNA 염기서열을 보존하기 위한 선택이 없으면 돌연변이가 일어나 오랜 시간 동안 뒤섞여 전달의 분자적 증거가 지워지는 경향이 있습니다. 그리고 바이러스가 전송에 연루된 경우 처음에는 증거가 거의 남지 않을 수 있다고 Graham은 말했습니다. 따라서 연구자들은 어떻게 일어나는지 알기 위해 행동에서 유전적 도약을 포착해야 할 수도 있습니다.
Bhattacharya는 바로 이를 목표로 하는 프로젝트의 초기 단계에 있습니다. 옐로스톤 국립공원의 레모네이드 크릭에 있는 온천에서 그와 그의 동료들은 아직 진행 중인 이동 흔적을 찾고 있습니다. 그들은 원래와 약간의 차이만 있는 유전자인 샘물에도 서식하는 박테리아로부터 유전자를 얻은 홍조류의 DNA를 연구하고 있습니다. "우리는 수백만 년 전을 말하는 것이 아닙니다."라고 Bhattacharya가 말했습니다. "우리는 동일한 환경에서 두 가지 다른 삶의 영역에 공존하는 매우 유사한 DNA에 대해 이야기하고 있습니다."
과학자들이 인근 샘의 조류에 이러한 전달된 유전자가 부족하다는 사실을 발견하면 한 인접 샘에서 다음 샘으로 조류를 통해 바깥쪽으로 이동하는 유전적 변화의 물결이 시작되는 것을 목격하고 있을 수 있습니다. 각각의 새로운 온수 풀은 변형 직전의 섬일 수 있습니다.
