Introductie
Alle dieren, planten, schimmels en protisten - die samen het domein van het leven vormen dat eukaryoten wordt genoemd - hebben genomen met een bijzonder kenmerk dat onderzoekers al bijna een halve eeuw voor raadsels stelt: hun genen zijn gefragmenteerd.
In hun DNA is de informatie over het maken van eiwitten niet in lange samenhangende reeksen van basen vastgelegd. In plaats daarvan worden genen opgesplitst in segmenten, met tussenliggende sequenties, of "introns", die de exons die coderen voor stukjes van het eiwit uit elkaar plaatsen. Wanneer eukaryoten hun genen tot expressie brengen, moeten hun cellen RNA uit de introns splitsen en RNA uit de exons aan elkaar naaien om de recepten voor hun eiwitten te reconstrueren.
Het mysterie van waarom eukaryoten op dit barokke systeem vertrouwen, werd groter met de ontdekking dat de verschillende takken van de eukaryotische stamboom sterk varieerden in de overvloed van hun introns. Zo hebben de genen van gist heel weinig introns, maar die van landplanten veel. Introns vormen bijna 25% van het menselijk DNA. Hoe deze enorme, raadselachtige variatie in intronfrequentie is geëvolueerd, heeft tientallen jaren lang tot discussie onder wetenschappers geleid.
Er kunnen echter eindelijk antwoorden komen uit recente studies van genetische elementen die introners worden genoemd en die sommige wetenschappers beschouwen als een soort genomische parasiet. Deze stukjes DNA kunnen in genomen glippen en zich daar vermenigvuldigen, waardoor er een overvloed aan introns achterblijft. Afgelopen november presenteerden onderzoekers bewijs dat introners dit gedurende de evolutie in verschillende eukaryoten hebben gedaan. Bovendien toonden ze aan dat introners konden verklaren waarom explosieve winsten in introns vooral gebruikelijk lijken te zijn geweest bij aquatische levensvormen.
Hun bevindingen "zou de overgrote meerderheid van de intronwinst kunnen verklaren", zei Russ Corbett-Detig, senior auteur van het nieuwe artikel en een evolutionaire genomics-onderzoeker aan de Universiteit van Californië, Santa Cruz.
De puzzel van eukaryote genomen
Vanwege de introns die hun DNA stippelen, zouden de resulterende moleculen, als de genen van eukaryoten rechtstreeks in eiwitten zouden worden vertaald, meestal niet-functioneel afval zijn. Om die reden zijn alle eukaryote cellen uitgerust met speciale genetische schaartjes die spliceosomen worden genoemd. Deze eiwitcomplexen herkennen de onderscheidende sequenties die intron-RNA flankeren en verwijderen het uit de voorlopige RNA-transcripten van actieve genen. Vervolgens splitsen ze de coderende segmenten van exons om boodschapper-RNA te produceren dat kan worden vertaald in een werkend eiwit.
(Enkele prokaryoten hebben ook introns, maar ze hebben manieren om er omheen te werken waarbij geen spliceosomen betrokken zijn. Sommige van hun introns zijn bijvoorbeeld "zelfsplitsend" en verwijderen zichzelf automatisch van RNA.)
Waarom natuurlijke selectie in eukaryoten de voorkeur gaf aan introns die door spliceosomen moesten worden verwijderd, is onbekend. Maar de sleutel zou kunnen zijn dat dergelijke introns alternatieve splicing mogelijk maken, een fenomeen dat de diversiteit van producten die uit een enkel gen kunnen voortkomen dramatisch vergroot. Wanneer het intron-RNA eruit wordt geknipt, kunnen de exon-RNA-sequenties in een nieuwe volgorde aan elkaar worden geregen om iets andere eiwitten te maken, legt Corbett-Detig uit.
Ondanks de invloed van introns op de biologie en genetische complexiteit van eukaryote organismen, is hun evolutionaire oorsprong duister gebleven. Sinds de ontdekking van introns in 1977 hebben onderzoekers talloze theorieën ontwikkeld over waar deze opdringerige sequenties vandaan kwamen. Er zijn verschillende mechanismen geïdentificeerd die introns zouden kunnen creëren, en ze kunnen allemaal enkele introns hebben bijgedragen aan eukaryoten. Maar het was moeilijk te zeggen welke als een van hen zou kunnen verklaren waar de meeste introns vandaan kwamen.
Bovendien wordt het mysterie rond de oorsprong van introns alleen maar groter in het licht van de extreme variatie in waar introns de neiging hebben om op te duiken in de eukaryote levensboom. Sommige afstammingslijnen zijn bijzonder zwaar voor hen op manieren die wijzen op plotselinge overstromingen met introns tijdens hun evolutionaire geschiedenis. Als je de levensboom onderzoekt en hoeveel introns er op elke punt van de boom worden gevonden, zei Corbett-Detig, "kun je vrij snel erachter komen dat er bepaalde takken moeten zijn waar een absolute ton introns in één keer zijn geëvolueerd."
Een mogelijke verklaring voor die explosieve infusies van introns is een ongebruikelijk soort genetisch element dat bekend staat als een introner. Voor het eerst beschreven in 2009 in de eencellige groene algen Micromonas, zijn introners vervolgens opgedoken in het genoom van sommige andere algen, sommige soorten schimmels, kleine mariene organismen die dinoflagellaten worden genoemd en eenvoudige ongewervelde dieren die manteldieren worden genoemd.
Het onderscheidende kenmerk van introners is dat ze introns creëren. Introners kopiëren en plakken zichzelf in stukken coderend DNA die een geschikte splitsingsplaats bieden. Daarna gaan ze verder en laten een specifieke intronsequentie achter, geflankeerd door splitsingsplaatsen, die het coderende DNA in twee exons splitst. Dit proces kan in een genoom op grote schaal worden herhaald. Bij schimmels lijken introners bijvoorbeeld het grootste deel van de intronwinst gedurende ten minste de laatste 100,000 jaar voor hun rekening te nemen.
Introductie
Hoe introners dit bereiken, werd duidelijker in 2016, toen onderzoekers ontdekten dat introners in twee soorten algen sterke overeenkomsten vertoonden met DNA-transposons, leden van een grotere familie van genetische elementen die transponeerbare elementen of "springende genen" worden genoemd. Transposons voegen ook enorme aantallen kopieën van zichzelf in genomen in.
De parallellen tussen introners en transposons suggereerden sterk een mogelijk antwoord op het mysterie van waar de meeste introns vandaan kwamen. Introners zouden ervoor kunnen zorgen dat introns in grote aantallen in genomen uitbarsten, wat het onderbroken patroon van hun opkomst in verschillende eukaryoten zou kunnen verklaren. De vangst was dat introners slechts in een paar organismen bekend waren.
"Heeft iemand ergens anders gekeken?" vroeg Landen Gozashti, die onderzoek deed naar evolutionaire genomica in Santa Cruz toen hij de algenstudie uit 2016 las. Een blik op de wetenschappelijke literatuur toonde aan dat geen enkele groep gegevens had gepubliceerd over introners elders onder de eukaryoten. Gozashti, nu aan de Harvard University, Corbett-Detig en hun collega's probeerden dat te verhelpen.
Heimelijke, overvloedige indringers
Het team scande systematisch meer dan 3,300 genomen uit de hele breedte van eukaryote diversiteit - alles van schapen tot sequoia's tot ciliate protisten. Ze gebruikten een reeks computationele filters om potentiële introners te identificeren, op zoek naar introns met zeer vergelijkbare sequenties en valse positieven weg te werken. Uiteindelijk hebben ze gevonden duizenden intronen afgeleid van introners in 175 van die genomen, ongeveer 5% van het totaal, van 48 verschillende soorten.
Vijf procent lijkt misschien een klein stukje van de eukaryotische taart. Maar naarmate mutaties zich in de loop van de tijd ophopen in introners, verslechteren de sequentie-overeenkomsten tussen de kopieën totdat het niet langer mogelijk is om te zeggen dat ze uit dezelfde bron kwamen. De evolutionaire afstammingslijnen van veel soorten die vandaag de dag leven, hebben misschien overstromingen van introns meegemaakt, maar elke instroom die meer dan een paar miljoen jaar geleden plaatsvond, zou niet op te sporen zijn. Het resultaat van 5% geeft daarom aan dat introners mogelijk veel alomtegenwoordiger zijn.
Als genomische parasieten hebben introners hun succes mogelijk bereikt door stealth. Een goede parasiet kan niet teveel aandacht op zich vestigen. Als een introner de activiteit verstoort van het gen waarin het zich heeft ingebed, kan het het gastheerorganisme schaden en kan natuurlijke selectie de genomische parasiet helemaal verwijderen. Dus deze elementen evolueren voortdurend om "zo neutraal mogelijk" te zijn in hun invloed, zei Valentina Peona, een vergelijkend genomicus aan de Universiteit van Uppsala.
Gozashti, Corbett-Detig en hun collega's ontdekten hoe bedreven introners onder de radar glippen toen ze de splitsingsefficiëntie van introners schatten, wat hun vermogen weerspiegelt om te voorkomen dat de functie van gastheergenen wordt verstoord. "Introners zijn eigenlijk beter gesplitst dan andere introns," zei Gozashti. "Deze dingen zijn er echt goed in geworden."
Een waterverbinding
Het werk van Gozashti en zijn collega's bewees dat introners niet gelijk verdeeld zijn over eukaryoten. Het is bijvoorbeeld meer dan zes keer zo waarschijnlijk dat introners voorkomen in het genoom van waterorganismen dan in dat van terrestrische organismen. Bovendien herbergt bijna driekwart van de genomen van aquatische soorten die introners bevatten meerdere intronerfamilies.
Corbett-Detig, Gozashti en hun collega's denken dat dit patroon kan worden verklaard door horizontale genoverdracht, de overdracht van een genetische sequentie van de ene soort naar de andere. Deze onorthodoxe genoverdrachten vinden meestal plaats in aquatische omgevingen of in gevallen van nauwe interspecies-associatie, zoals tussen gastheren en parasieten, legde uit Saima Shahid, een plantenbioloog aan de Oklahoma State University.
Aquatische omgevingen kunnen horizontale genoverdracht stimuleren omdat het waterige medium een soep kan worden van de nucleïnezuren die door talloze soorten worden afgestoten. Eencellige organismen peddelen rond in deze stoofpot, dus het is gemakkelijk voor hen om vreemd DNA op te nemen dat in hun eigen DNA kan worden opgenomen. Maar zelfs veel complexere meercellige soorten leggen hun eieren of bevruchten ze in het water, waardoor er kansen ontstaan voor het overbrengen van DNA naar hun afstamming.
Introductie
Clément Gilbert, een evolutionair genomicus aan de Paris-Saclay University, denkt dat de aquatische bias in introners een echo is van wat zijn groep vond in horizontale genoverdrachtsgebeurtenissen. In 2020 brachten hun werk bijna 1,000 verschillende horizontale overdrachten aan het licht met transposons die hadden plaatsgevonden in meer dan 300 genomen van gewervelde dieren. De overgrote meerderheid van deze overdrachten gebeurde in beenvissen, zei Gilbert.
Als introners voornamelijk hun weg naar gastheren vinden via horizontale genoverdracht in aquatische omgevingen, zou dat de onregelmatige patronen van grote intronwinsten in eukaryoten kunnen verklaren. Terrestrische organismen zullen waarschijnlijk niet dezelfde uitbarstingen van introns hebben, zei Corbett-Detig, omdat horizontale overdracht bij hen veel minder vaak voorkomt. De overgebrachte introns zouden vele miljoenen jaren in genomen kunnen blijven bestaan als permanente souvenirs van een voorouderlijk leven in de zee en een noodlottig penseel met een behendige genomische parasiet.
Introners die fungeren als vreemde, invasieve elementen in genomen, zouden ook de verklaring kunnen zijn waarom ze introns zo plotseling en explosief zouden inbrengen. Verdedigingsmechanismen die een genoom zou kunnen gebruiken om zijn overgeërfde last van transposons te onderdrukken, werken mogelijk niet op een onbekend genetisch element dat arriveert door horizontale overdracht.
"Nu kan dat element door het hele genoom gek worden", zei Gozashti. Zelfs als de introners aanvankelijk schadelijk zijn, veronderstellen de onderzoekers dat selectieve druk ze snel zou kunnen temmen door ze uit RNA te verwijderen.
Hoewel horizontale genoverdracht en introners een verband met het aquatische milieu delen, tonen de bevindingen nog niet definitief aan dat dit is waar introners vandaan komen. Maar de ontdekking van de wijdverbreide invloed van introners daagt sommige theorieën uit over hoe genomen - met name eukaryote genomen - zijn geëvolueerd.
Weerkaatsingen in de host
De alomtegenwoordigheid van recente intronwinst kan als tegenwicht dienen voor sommige ideeën over de evolutie van genomische complexiteit. Een voorbeeld betreft een theorie van intronevolutie ontwikkeld door Michael Lynch van de Arizona State University in 2002. Modellen suggereren dat bij soorten met kleine broedpopulaties natuurlijke selectie minder efficiënt kan zijn in het verwijderen van nutteloze genen. Lynch stelde voor dat die soorten daarom de neiging zullen hebben om hopen niet-functionele genetische rommel in hun genomen op te bouwen. Soorten met zeer grote broedpopulaties zouden daarentegen helemaal niet veel introns moeten krijgen.
Maar Gozashti, Corbett-Detig en hun coauteurs vonden het tegenovergestelde. Sommige mariene protisten met gigantische broedpopulaties hadden honderden of duizenden introners. Introners waren daarentegen zeldzaam bij dieren en afwezig bij landplanten - beide groepen met veel kleinere broedpopulaties.
De evolutionaire wapenwedloop tussen binnendringende genetische elementen en de gastheer kan een rol spelen bij het genereren van een ingewikkelder genoom. De parasitaire elementen zijn in "constant conflict" met genetische elementen die tot de gastheer behoren, legde Gozashti uit, omdat ze strijden om genomische ruimte. "Al deze bewegende stukken drijven elkaar constant aan om te evolueren," zei hij.
Dat roept de vraag op wat de intronwinst betekende voor de functionele biologie van de organismen waarin ze voorkwamen.
Carlo Feschotte, een moleculair bioloog aan de Cornell University, vermoedt dat het interessant zou zijn om twee nauw verwante soorten te vergelijken, waarvan er slechts één in de recente evolutionaire geschiedenis een intronzwerm heeft meegemaakt. De vergelijking zou kunnen helpen om te onthullen hoe de instroom van introns het verschijnen van nieuwe genen zou kunnen bevorderen. "Omdat we weten dat het binnenhalen van introns ook het vangen van extra exons kan vergemakkelijken - dus volledig nieuwe dingen," zei hij.
Evenzo denkt Feschotte dat een overvloed aan introns de evolutie van snel veranderende genenfamilies zou kunnen stimuleren. Gevuld met nieuwe introns, zouden die genen de nieuwe variabiliteit kunnen coöpteren die mogelijk wordt gemaakt door alternatieve splitsing.
Dergelijke snel evoluerende genen zijn wijdverbreid in de natuur. Giftige soorten moeten bijvoorbeeld vaak de complexe cocktails van peptiden in hun gif op genetisch niveau opnieuw mengen om zich aan te passen aan verschillende prooien of roofdieren. Het vermogen van het immuunsysteem om eindeloos diverse moleculaire receptoren te genereren hangt ook af van genen die snel kunnen herschikken en recombineren.
Peona waarschuwt echter dat hoewel introners voordelen kunnen bieden aan een organisme, ze ook totaal neutraal kunnen zijn. Ze moeten als "onschuldig worden beschouwd totdat ze schuldig zijn bevonden aan functie of iets anders."
"Een van de volgende dingen is kijken naar metagenomische gegevens om te proberen een geval te vinden dat echt een duidelijke horizontale overdracht is met exact dezelfde introners in twee verschillende soorten," zei Corbett-Detig. Het vinden van dit stukje van de puzzel zou helpen om het volledige verhaal uit te werken van waar de meeste introns van eukaryoten vandaan komen.
Irina Arkhipova, een moleculair evolutionair geneticus aan het Marine Biological Laboratory van de Universiteit van Chicago, wil graag meer weten over hoe introners zich op zulke grote schaal door het genoom verspreiden. "Het laat gewoon geen spoor achter van het enzym dat verantwoordelijk was voor deze enorme uitbarsting van mobiliteit - dat is een mysterie," zei ze. "Je moet het eigenlijk op heterdaad betrappen terwijl het nog in beweging is."
Voor Gozashti houdt de ontdekking van introners in zo'n breed scala aan eukaryoten een les in over hoe fundamentele vragen over de aard van het eukaryote leven moeten worden benaderd: denk breed. Studies richten zich vaak op het stukje biodiversiteit dat wordt vertegenwoordigd door dieren en landplanten. Maar om de belangrijke patronen van genomische informatie die ten grondslag liggen aan al het leven te begrijpen, "moeten we meer eukaryote diversiteit sequensen, meer van deze protistenlijnen waarvan we niets weten over hoe ze evolueren", zei hij. "Als we alleen landplanten en dieren hadden bestudeerd, hadden we nooit introners gevonden."
Noot van de redactie: Gozashti is een afgestudeerde student in het laboratorium van Hopi Hoekstra, die lid is van de adviesraad voor Quanta.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- Platoblockchain. Web3 Metaverse Intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- Bron: https://www.quantamagazine.org/how-a-dna-parasite-may-have-fragmented-our-genes-20230330/
- :is
- ][P
- $UP
- 000
- 1
- 100
- 2016
- 2020
- a
- vermogen
- Over
- afwezig
- absoluut
- overvloed
- bereiken
- Account
- Accumuleren
- bereikt
- over
- Handelen
- actieve
- activiteit
- werkelijk
- aanpassen
- Extra
- adviserend
- Raad van Advies
- Alles
- alternatief
- Hoewel
- onder
- en
- dieren
- Nog een
- beantwoorden
- iedereen
- overal
- verschijnen
- nadering
- passend
- ZIJN
- Arizona
- rond
- aankomen
- AS
- Vereniging
- At
- aandacht
- auteur
- webmaster.
- Eigenlijk
- BE
- omdat
- worden
- achter
- betekent
- Betere
- tussen
- vooringenomenheid
- Groot
- biologie
- boord
- takken
- breedte
- Bringing
- breed
- bouw
- last
- by
- Californië
- Dit betekent dat we onszelf en onze geliefden praktisch vergiftigen.
- CAN
- vangen
- geval
- het worstelen
- Veroorzaken
- Cellen
- Eeuw
- zeker
- uitdagen
- verandering
- chicago
- duidelijk
- duidelijkere
- Sluiten
- van nabij
- codering
- SAMENHANGEND
- collega's
- collectief
- hoe
- Gemeen
- vergelijken
- vergelijking
- concurreren
- compleet
- complex
- ingewikkeldheid
- ingewikkeld
- versterken
- beschouwd
- permanent
- bevatten
- permanent
- contrast
- bijgedragen
- kon
- en je merk te creëren
- Wij creëren
- snijdend
- gegevens
- debat
- decennia
- Verdediging
- afhankelijk
- Afgeleid
- beschreven
- ontwikkelde
- anders
- direct
- ontdekking
- onderscheiden
- verdeeld
- diversen
- Verscheidenheid
- dna
- doen
- domein
- Dont
- dramatisch
- trekken
- rit
- aandrijving
- gedurende
- elk
- echo
- doeltreffendheid
- doeltreffend
- Eieren
- element
- geeft je de mogelijkheid
- elders
- ingebed
- opkomst
- opkomende
- ingeschakeld
- eindeloos
- Milieu
- omgevingen
- even
- uitgerust
- geschat
- Zelfs
- EVENTS
- alles
- bewijzen
- Evolutie
- ontwikkelen
- evolueerde
- evoluerende
- voorbeeld
- ervaren
- Verklaren
- uitgelegd
- uitleg
- uitdrukkelijk
- extreem
- vergemakkelijken
- gezinnen
- familie
- Kenmerk
- weinig
- Figuur
- filters
- Tot slot
- VIND DE PLEK DIE PERFECT VOOR JOU IS
- het vinden van
- Voornaam*
- Vis
- Focus
- Voor
- vreemd
- formulieren
- gevonden
- gefragmenteerd
- Frequentie
- oppompen van
- vol
- functie
- functioneel
- fundamenteel
- Krijgen
- met het verkrijgen van
- verdiensten
- voortbrengen
- het genereren van
- genomics
- GitHub
- Go
- goed
- afstuderen
- groot
- Groen
- Groep
- Groep
- schuldig
- Helft
- hand
- gebeuren
- gebeurd
- Hard
- schadelijk
- harvard
- Harvard University
- Hebben
- zwaar
- hulp
- hints
- geschiedenis
- houdt
- Horizontaal
- gastheer
- hosts
- Hoe
- How To
- Echter
- http
- HTTPS
- reusachtig
- menselijk
- Honderden
- ideeën
- geïdentificeerd
- identificeren
- Immuunsysteem
- belangrijk
- in
- Incorporated
- Verhoogt
- beïnvloeden
- toevloed
- informatie
- eerste
- instantie
- verkrijgen in plaats daarvan
- geïnteresseerd
- interessant
- tussenkomen
- betrekken
- IT
- HAAR
- zelf
- sleutel
- Soort
- blijven
- Weten
- bekend
- laboratorium
- Land
- Groot
- groter
- Achternaam*
- verlaten
- les
- Niveau
- Life
- licht
- als
- Waarschijnlijk
- literatuur
- lang
- langer
- Kijk
- op zoek
- Meerderheid
- maken
- veel
- massief
- Medium
- Leden
- Messenger
- macht
- miljoen
- miljoenen
- mobiliteit
- modellen
- moleculair
- meer
- Bovendien
- meest
- beweging
- bewegend
- meervoudig
- Mysterie
- Naturel
- NATUUR
- bijna
- Noodzaak
- Neutraal
- New
- volgende
- November
- nummers
- vele
- opgetreden
- of
- bieden
- Oklahoma
- on
- EEN
- Kansen
- tegenover
- bestellen
- Overige
- het te bezitten.
- Papier
- Parallels
- vooral
- Patronen
- patronen
- eigenaardig
- procent
- blijvend
- een fenomeen
- stuk
- stukken
- Plants
- Plato
- Plato gegevensintelligentie
- PlatoData
- punt
- populaties
- mogelijk
- potentieel
- gepresenteerd
- mooi
- in de eerste plaats
- produceren
- Producten
- promoten
- voorgestelde
- Eiwit
- Eiwitten
- bewezen
- bewezen
- zorgen voor
- gepubliceerde
- puzzel
- Quanta tijdschrift
- vraag
- Contact
- snel
- Race
- radar
- verhoogt
- reeks
- snel
- BIJZONDER
- Lees
- reden
- recent
- herkennen
- weerspiegelt
- verwant
- bleef
- Remix
- verwijderen
- verwijderd
- het verwijderen van
- herhaald
- vertegenwoordigd
- onderzoek
- onderzoeker
- onderzoekers
- verantwoordelijk
- resultaat
- verkregen
- onthullen
- RNA
- Zei
- dezelfde
- Kerstman
- Scale
- balans
- wetenschappelijk
- wetenschappers
- SEA
- segmenten
- selectie
- selectief
- senior
- Volgorde
- -Series
- bedient
- reeks
- verscheidene
- Delen
- schapen
- moet
- tonen
- gelijk
- overeenkomsten
- Eenvoudig
- sinds
- single
- website
- Locaties
- ZES
- iets andere
- uitglijden
- Klein
- kleinere
- So
- sommige
- bron
- Tussenruimte
- special
- specifiek
- spleet
- splits
- verspreiding
- Land
- Stealth
- Still
- Verhaal
- sterke
- sterk
- Student
- bestudeerd
- studies
- Studie
- Hierop volgend
- succes
- dergelijk
- plotseling
- system
- Nemen
- team
- aards
- dat
- De
- de informatie
- hun
- Ze
- zich
- daarom
- Deze
- spullen
- denkt
- duizenden kosten
- Door
- overal
- niet de tijd of
- keer
- type
- naar
- vandaag
- samen
- Toon
- ook
- Totaal
- TOTAAL
- Opsporen
- overdracht
- overgedragen
- transfers
- ontzettend
- Gedraaid
- typisch
- alomtegenwoordig
- voor
- die ten grondslag liggen
- begrijpen
- onbekend
- universiteit-
- University of California
- University of Chicago
- .
- divers
- groot
- Warns
- Water
- Manier..
- manieren
- webp
- Wat
- welke
- en
- WIE
- breed
- Grote range
- wijd
- wijd verspreid
- wil
- Met
- Mijn werk
- werkzaam
- zou
- jaar
- You
- zephyrnet