Introductie
Gelegen op een blad in het regenwoud, herbergt de kleine gouden mantella-kikker een geheim. Het deelt dat geheim met de vorktandkikker, de rietkikker en talloze andere kikkers in de heuvels en bossen van de eilandnatie Madagaskar, evenals met de boa's en andere slangen die op hen jagen. Op dit eiland, waarvan veel diersoorten nergens anders voorkomen, hebben genetici onlangs een verrassende ontdekking gedaan: door het genoom van de kikkers is een gen, BovB, dat schijnbaar afkomstig was van slangen.
Na het bestuderen van genomen van kikker- en slangensoorten over de hele wereld, rapporteerden de wetenschappers in april in een krant in Moleculaire biologie en evolutie dat dit gen op de een of andere manier minstens 50 keer over de hele planeet van slangen naar kikkers is gereisd. Maar in Madagaskar heeft het zich in kikkers gestoken met verbazingwekkende promiscuïteit: 91% van de kikkersoorten die daar zijn bemonsterd, heeft het. Iets lijkt Madagaskar een uitzonderlijk gunstige plaats te maken voor het gen om mobiel te worden.
. Atsushi Kurabayashi, een universitair hoofddocent aan het Nagahama Institute of Bio-Science and Technology en de senior auteur van het nieuwe artikel, voor het eerst de slangversie van het gen in kikkers zag, was hij verbaasd. Hij vroeg het aan een collega die gespecialiseerd is in genomics, en de collega riep meteen: “Het moet horizontale transfer zijn!” — de overdracht van een gen van de ene soort naar de andere, in tegenstelling tot de verticale overerving van genen door een kind van een ouder.
Die uitbarsting bracht Kurabayashi op het spoor van een fenomeen dat ooit als buitengewoon zeldzaam werd beschouwd, hoewel de opkomst van betere genomische sequencing biologen ertoe heeft aangezet die mening opnieuw te evalueren. En dit nieuwe artikel, dat aantoont dat de horizontale overdracht van genen op sommige plaatsen waarschijnlijker is dan op andere, maakt het verhaal nog ingewikkelder. Het suggereert dat onderzoekers bij het zoeken naar verklaringen voor horizontale overdrachten mogelijk verder moeten kijken dan eenvoudige genetische mechanismen naar de ecologische context waarin soorten leven. Genomicisten worstelen nog steeds om te begrijpen hoe vaak of zeldzaam horizontale overdrachten zijn in complexe organismen, maar sommige plaatsen, zoals Madagaskar, kunnen hotspots voor hen zijn.
Introductie
Wanneer genen dwalen
Horizontale overdracht is gebruikelijk bij bacteriën. De wemelende eencellige organismen die bijna elk gaatje op de planeet bevolken, pikken genen uit hun omgeving net zo gemakkelijk op als een pluizenborstel kattenhaar oppakt. Dat is een van de redenen waarom bacteriële resistentie tegen antibiotica wijdverbreid is: beschermende genen worden gemakkelijk doorgegeven en natuurlijke selectie zorgt ervoor dat de resistente bacteriën hun buren verdringen en hun genen doorgeven aan de volgende generatie. Bacteriën wisselen genen zo gemakkelijk uit dat sommige wetenschappers zelfs hebben voorgesteld dat bacteriën zich vormen een web van verwant leven in plaats van een vertakte stamboom.
De cellen van eukaryote organismen zoals mensen, kikkers en slangen zijn echter anders. Hun celkern lijkt meestal een fort om het genoom te beschermen. Het DNA wordt zorgvuldig opgerold en opgeslagen in de bibliotheek van die citadel, met enzymen die alleen de genen oproepen die ze op een bepaald moment moeten onderzoeken. De cel is geladen met fail-safes om schade aan het DNA te voorkomen en om slijtage te herstellen. Als het genoom als een onschatbaar verlicht manuscript is, dragen de bibliothecarissen ervan zwaarden.
Niettemin blijven voorbeelden van horizontale genoverdrachten waarbij eukaryoten betrokken zijn in de wetenschappelijke literatuur druppelen. Haring en spiering, niet-verwante vissen die in de ijskoude wateren van de Arctische, noordelijke Stille en noordelijke Atlantische Oceaan zwemmen, hebben precies hetzelfde gen voor een eiwit dat ervoor zorgt dat hun bloed niet bevriest; het is waarschijnlijk van haring in spiering gesprongen. Lauri Graham, een moleculair bioloog aan de Queen's University in Canada, en haar collega's meldden het vorig jaar; hun bevindingen waren zo contra-intuïtief dat Graham moeite had om het werk gepubliceerd te krijgen.
Evenzo heeft de evolutiebioloog Etienne GJ Danchin en zijn collega's van het National Research Institute for Agriculture, Food and Environment in Frankrijk bestuderen een reeks enzymen die aaltjeswormen kregen van bacteriën. En meer dan 100 genfamilies lijken lang geleden van microben naar planten te zijn gesprongen, schreef Jinling Huang van Eastern Carolina University en collega's in een krant dit jaar.
Er zijn prachtig duidelijke redenen waarom de evolutie om sommige van deze onwaarschijnlijke overdrachten glimlachte. De vissen met het gen bevriezen niet. De spijsverteringsenzymen van de nematoden stellen hen in staat om meer energie uit de celwanden van de planten die ze eten te persen. Vanwege een cluster van enzymen die zijn opgepikt uit bacteriën, hebben de in hete bronnen levende rode algen bestudeerd door de evolutiebioloog Vernietig Bhattacharya en zijn leerling Julia Van Etten aan de Rutgers University contact kunnen overleven met stoffen die hen anders zouden doden. Als een gen de overleving verhoogt, duurt het niet lang voordat de afstammelingen van het eerste organisme het overnemen.
Niet al deze zwervende genen brengen echter noodzakelijkerwijs een voordeel met zich mee. BovB is een bekend transposon, een stukje genetisch materiaal dat de neiging heeft om willekeurig rond het genoom te springen. In zekere zin zijn de sprongen van slangen in kikkers in Madagaskar - hoe ze ook zijn opgetreden - gewoon bizar grotere sprongen dan normaal. Bovendien, hoewel transposons kunnen hebben: diepgaande effecten op genomen, BovB is geen gen met een functie in de traditionele zin; het is gewoon een stukje DNA dat kopieën van zichzelf maakt. Kurabayashi merkt op dat, hoewel de mogelijkheid dat BovB waarvan de kikkers profiteerden, kan niet worden uitgesloten, het is waarschijnlijker dat BovB volhardt door zijn eigen agressieve succes bij zelf-duplicatie. Dit kan helpen verklaren waarom het zo is dat wanneer eukaryoten eindigen met het genetisch materiaal van andere organismen, transponeert zoals BovB zijn vaak betrokken.
Hoe vreemd het ook mag lijken voor eukaryoten om genen van bacteriën op te pikken, vreemder is nog steeds het feit dat voorbeelden van horizontale genoverdracht in de andere richting veel zeldzamer zijn. Om de een of andere reden willen bacteriën onze genen niet. Eukaryote genen hebben structurele kenmerken waardoor ze minder dan perfect materiaal zijn voor bacteriën, maar er kunnen ook andere factoren zijn die hieraan bijdragen.
"Misschien hebben eukaryoten niet de genen waar bacteriën in geïnteresseerd zijn," zei Patrick Keeling, een bioloog aan de University of British Columbia die horizontale transfers bestudeert.
Viraal gaan
In tegenstelling tot bacteriën hebben virussen een echt talent voor het oppikken van genen van hun eukaryote gastheren. Virussen, met name de zogenaamde retrovirussen, hebben de middelen om in de cellen en kernen van een gastheer te komen, en ze zijn meesters in het inbrengen van genetisch materiaal in het genoom van de gastheer. Tot 8% van het menselijk genoom bestaat uit de overblijfselen van retrovirussen, fragmenten van lang geleden infecties in de geschiedenis van onze soort.
Soms gaat de overdracht ook de andere kant op. In een krant gepubliceerd Natuur Microbiologie afgelopen december, Keeling, zijn medewerker Nicolaas Irwin van de Universiteit van Oxford en hun collega's voerden de eerste uitgebreide analyse uit van horizontale genoverdrachten tussen 201 eukaryoten en 108,842 virussen. Ze vonden bewijs voor meer dan 6,700 genoverdrachten, waarbij overdrachten van gastheer naar virus ongeveer twee keer zo vaak voorkomen als overdrachten van virus naar gastheer. Ze kwamen tot de conclusie dat horizontale genoverdracht aan beide kanten de belangrijkste drijvende krachten achter de evolutie was geweest: virussen gebruikten vaak de eukaryote genen die ze hadden verworven om hun gastheren effectiever te infecteren, terwijl eukaryoten soms elementen van de virale genen gebruikten om nieuwe kenmerken te creëren of om hun metabolisme op nieuwe manieren.
Bevindingen als deze hebben sommige biologen ervan overtuigd dat op zijn minst enkele horizontale genoverdrachten door virussen kunnen worden vergemakkelijkt. Als virussen genen van hun gastheren kunnen oppikken, en als ze stukjes van hun genomen kunnen achterlaten, lijkt het mogelijk dat ze soms ook genen kunnen overdragen van de laatste gastheer die ze hebben geïnfecteerd, of zelfs een van generaties geleden, en deze aan een nieuwe gastheer.
De betrokkenheid van virussen zou ook kunnen helpen bij het oplossen van een andere puzzel over horizontale overdrachten bij eukaryoten. Om de overdrachten te laten plaatsvinden, moeten de reizende genen een hele reeks hindernissen nemen. Eerst moeten ze van de donorsoort naar de nieuwe gastheersoort gaan. Dan moeten ze in de kern komen en zich nestelen in het gastheergenoom. Maar het is niet voldoende om in het genoom van zomaar een cel te komen: bij meercellige wezens zoals kikkers en haringen wordt een gen niet doorgegeven aan de nakomelingen van het dier, tenzij het in een kiembaancel kan sluipen - een sperma of een ei.
Virussen kunnen die reeks gebeurtenissen waarschijnlijker maken. In kleine organismen zoals de nematode, zei Danchin, bevinden het voortplantingsstelsel en zijn geslachtscellen zich niet ver van het darmkanaal, waar virussen die via voedsel worden ingenomen, zich kunnen nestelen. Omdat kikkers hun eieren en sperma in het open water afgeven, zijn die cellen potentieel kwetsbaar voor virussen in de omgeving die in genen kunnen glippen.
Zelfs met grotere wezens is het misschien makkelijker dan je denkt. Op dit moment is het nog steeds een speculatief idee, maar "het voortplantingsstelsel zit vol met microben en virussen", zei Danchin. "We weten dat sommige virussen specifiek kiemcellen infecteren."
Keeling suggereert dat om het mysterie van horizontale genoverdracht te begrijpen, we ze misschien moeten zien als ecologische gevolgen van het gedrag van een organisme, zijn buren en zijn omgeving. Als een horizontaal overgedragen gen enig overlevingsvoordeel oplevert, is het waarschijnlijk sterk afhankelijk van het specifieke scenario waarin de ontvanger van het gen zich bevindt - een ijzige zee, een hete bron, een smakelijke waardplant met een sterke afweer. "Ze zijn zo verbonden met de ecologie waar dat ding is, maar het verandert," speculeerde hij. Met de verkeerde verschuiving in de omgeving is het overgedragen gen "niet langer voordelig en gaat verloren."
Ecologische aanwijzingen
Horizontale genoverdracht in eukaryoten kan de hele tijd plaatsvinden: in de vijver in je achtertuin, in de grond onder je voeten, in de dieren, insecten en planten die deel uitmaken van het ecosysteem. "Ik denk dat er veel meer overdracht is dan we weten", zei Bhattacharya. "We zien ze gewoon niet omdat ze zijn weggevaagd."
Om te controleren hoe vaak het is dat kikkers een slang hebben BovB, nam het team van Kurabayashi contact op met hun collega's voor monsters van kikkers van over de hele wereld voor DNA-sequencing. Ze ontdekten dat van de 149 soorten er 50 terugkwamen met BovB. De 32 Malagasi-kikkers die ze testten, vormden minder dan een kwart van alle bemonsterde soorten, maar 29 van hen droegen het slangengen - een duidelijke meerderheid van alle overdrachten die over de hele wereld werden gevonden. Bovendien hebben ten minste twee van de kikkerlijnen niet verworven BovB tot nadat hun voorouders van Afrika naar Madagaskar waren geëmigreerd.
Het meest interessante aan de krant, zei Graham, "is dat het laat zien dat de overdrachtssnelheid niet uniform is. Het varieert sterk tussen geografische regio's." Als er meer onderzoeken zijn met als doel om te kijken naar genoverdracht over de hele wereld - om te zien of overdrachten op verschillende plaatsen met verschillende snelheden hebben plaatsgevonden - wat we vinden, kan ons verbazen. Misschien is geografie belangrijker dan we zouden verwachten.
Is er iets aan de omgeving van Madagaskar waardoor het een hotspot is voor genoverdracht? Niemand weet. Kurabayashi zegt dat hij en zijn groep het sterkst vermoeden dat de slang BovB in Madagascar verschilt van versies elders in de wereld doordat ze net iets beter zijn in het zich in een nieuwe host verplaatsen.
Maar de overvloed aan parasieten op het eiland kan ook een bijdragende factor zijn. Bijvoorbeeld, "in Madagaskar zijn er veel bloedzuigers", zei Miguel Vences, een herpetoloog aan de Braunschweig University of Technology in Duitsland en een auteur van het nieuwe artikel. "Als je in het regenwoud bent, zul je ze opmerken." De bloedzuigende wezens voeden zich met vele soorten dieren, waaronder kikkers en slangen, en ze zijn niet bereid om mensen te bemonsteren. Vences en zijn collega's speculeren dat bloedzuigers bloed met het springgen van de slang in de kikkers kunnen brengen, of misschien zit het springgen al in het eigen genoom van de bloedzuiger door eerdere contacten met slangen. Dan doet misschien een niet-geïdentificeerd virus de rest.
Helaas is het niet eenvoudig om scenario's te bewijzen of te weerleggen waarin wordt beschreven hoe dergelijke horizontale overdrachten zouden kunnen hebben plaatsgevonden. Zonder selectie om DNA-sequenties te behouden, hebben ze de neiging om gedurende lange tijd te muteren en vervormd te raken, waardoor het moleculaire bewijs van een overdracht wordt gewist. En als er een virus bij de overdracht betrokken is, kan het in de eerste plaats heel weinig bewijs achterlaten, zei Graham. Onderzoekers moeten daarom misschien bijna een genetische sprong op heterdaad betrappen om te weten hoe het gebeurt.
Bhattacharya bevindt zich in de beginfase van een project dat precies dat wil doen. In de warmwaterbronnen bij Lemonade Creek in Yellowstone National Park zoeken hij en zijn collega's naar tekenen van overdrachten die mogelijk nog aan de gang zijn. Ze bestuderen het DNA van rode algen die genen hebben opgepikt van bacteriën die ook in de bronnen leven, genen die slechts kleine verschillen vertonen met de originelen. "We hebben het niet over miljoenen jaren geleden", zei Bhattacharya. "We hebben het over DNA dat sterk op elkaar lijkt, dat naast elkaar bestaat in twee verschillende domeinen van het leven, in dezelfde omgeving."
Als de wetenschappers ontdekken dat algen in nabijgelegen bronnen een van deze overgedragen genen missen, dan zijn ze mogelijk getuige van het begin van een rimpeling van genetische verandering die zich naar buiten door de algen verplaatst, van de ene naburige bron naar de volgende. Elke nieuwe hot pool kan een eiland zijn dat op de rand van een transformatie staat.
