Introduksjon
Den lille gyldne mantella-frosken ligger på et blad i regnskogen og har en hemmelighet. Den deler den hemmeligheten med den gaffeltunge frosken, sivfrosken og utallige andre frosker i åsene og skogene til øynasjonen Madagaskar, så vel som med boaene og andre slanger som forfølger dem. På denne øya, hvor mange av dyrearter ikke forekommer andre steder, gjorde genetikere nylig en overraskende oppdagelse: Strødd gjennom genomene til froskene er et gen, BovB, som tilsynelatende kom fra slanger.
Etter å ha undersøkt genomer fra froske- og slangearter rundt om i verden, rapporterte forskerne i april et papir in Molekylærbiologi og Evolusjon at dette genet på en eller annen måte har reist fra slanger til frosker minst 50 ganger over hele planeten. Men på Madagaskar har den satt seg inn i frosker med oppsiktsvekkende promiskuitet: 91 % av froskeartene som ble tatt prøver der har det. Noe ser ut til å gjøre Madagaskar til et usedvanlig gunstig sted for genet å bli mobil.
Når Atsushi Kurabayashi, en førsteamanuensis ved Nagahama Institute of Bio-Science and Technology og seniorforfatter av det nye papiret, først så slangeversjonen av genet i frosker, ble han forvirret. Han spurte en kollega som spesialiserer seg på genomikk om det, og kollegaen ropte umiddelbart: "Det må være horisontal overføring!" — overføring av et gen fra en art til en annen, i motsetning til den vertikale arven av gener fra et barn fra en forelder.
Dette utbruddet sendte Kurabayashi på sporet av et fenomen som en gang ble antatt å være ekstremt sjeldent, selv om fremveksten av bedre genomisk sekvensering har fått biologer til å revurdere den oppfatningen. Og denne nye artikkelen, som viser at horisontal overføring av gener kan være mer sannsynlig noen steder enn andre, kompliserer historien enda mer. Det antyder at når forskerne søker forklaringer på horisontale overføringer, kan det hende at forskere må se forbi enkle genetiske mekanismer til de økologiske kontekstene artene lever i. Genomikere sliter fortsatt med å forstå hvor vanlige eller sjeldne horisontale overføringer er i komplekse organismer, men noen steder, som Madagaskar, kan være hot spots for dem.
Introduksjon
Når gener vandrer
Horisontal overføring er vanlig hos bakterier. De myldrende encellede organismene som befolker nesten hver eneste krok på planeten, plukker opp gener fra miljøet like lett som en lobørste fanger opp kattehår. Det er en grunn til at bakteriell resistens mot antibiotika er utbredt: Beskyttende gener overføres lett rundt, og naturlig seleksjon sørger for at de resistente bakteriene utkonkurrerer sine naboer og sender genene deres videre til neste generasjon. Bakterier bytter gener så lett at noen forskere til og med har foreslått at bakterier dannes et nett av relatert liv heller enn et forgrenet slektstre.
Cellene til eukaryote organismer som mennesker, frosker og slanger er imidlertid forskjellige. Cellekjernen deres virker vanligvis som en festning for å beskytte genomet. DNA-et er forsiktig kveilet sammen og lagret i citadellets bibliotek, med enzymer som bare kaller frem genene de trenger å undersøke til enhver tid. Cellen er lastet med safer for å forhindre skade på DNA og reparere slitasje. Hvis genomet er som et uvurderlig opplyst manuskript, bærer bibliotekarene sverd.
Likevel kommer eksempler på horisontale genoverføringer som involverer eukaryoter stadig inn i den vitenskapelige litteraturen. Sild og smelte, ubeslektet fisk som svømmer i det iskalde vannet i Arktis, det nordlige Stillehavet og det nordlige Atlanterhavet, har nøyaktig samme gen for et protein som forhindrer at blodet fryser; den hoppet sannsynligvis fra sild til smelter. Laurie Graham, en molekylærbiolog ved Queen's University i Canada, og hennes kolleger rapporterte det i fjor; deres funn var så kontraintuitive at Graham hadde vanskeligheter med å få verket publisert.
Tilsvarende evolusjonsbiologen Etienne GJ Danchin og hans kolleger ved National Research Institute for Agriculture, Food and Environment i Frankrike studerer en rekke enzymer som nematodeormer fikk fra bakterier. Og over 100 genfamilier ser ut til å ha hoppet fra mikrober til planter for lenge siden, skrev Jinling Huang fra Eastern Carolina University og kolleger i et papir i år.
Det er vakkert klare grunner til at evolusjonen smilte til noen av disse usannsynlige overføringene. Fisken med genet fryser ikke. Nematodenes fordøyelsesenzymer gjør dem i stand til å vri mer energi fra celleveggene til plantene de spiser. På grunn av en klynge av enzymer plukket opp fra bakterier, har de varme kildene rødalgene studert av evolusjonsbiologen Debashish Bhattacharya og hans elev Julia Van Etten ved Rutgers University kan overleve kontakt med stoffer som ellers ville drept dem. Hvis et gen øker overlevelsen, tar det ikke lang tid før etterkommerne av den første organismen tar over.
Ikke alle disse vandrende genene gir imidlertid nødvendigvis en fordel. BovB er en velkjent transposon, et utklipp av genetisk materiale som er utsatt for å hoppe tilfeldig rundt genomet. På en måte er hopp fra slanger til frosker på Madagaskar - hvordan de enn skjedde - bare merkelig større sprang enn vanlig. Dessuten, selv om transposoner kan ha dyptgripende effekter på genomer, BovB er ikke et gen med en funksjon i tradisjonell forstand; det er bare en bit av DNA som lager kopier av seg selv. Kurabayashi bemerker at selv om muligheten for at BovB nytte froskene ikke kan utelukkes, er det mer sannsynlig at BovB vedvarer gjennom sin egen aggressive suksess med selvduplisering. Dette kan bidra til å forklare hvorfor det er slik at når eukaryoter havner i andre organismers genetiske materiale, transposoner som BovB er ofte involvert.
Så rart som det kan virke for eukaryoter å fange opp gener fra bakterier, enda merkeligere er det faktum at eksempler på horisontal genoverføring i den andre retningen er langt sjeldnere. Av en eller annen grunn vil ikke bakterier ha genene våre. Eukaryote gener har strukturelle egenskaper som gjør dem til mindre enn perfekt materiale for bakterier, men det kan også være andre medvirkende faktorer.
"Kanskje eukaryoter ikke har genene som bakterier er interessert i," sa Patrick Keeling, en biolog ved University of British Columbia som studerer horisontale overføringer.
Går viral
I motsetning til bakterier har virus en reell evne til å plukke opp gener fra sine eukaryote verter. Virus, spesielt de som kalles retrovirus, har verktøyene for å komme inn i en verts celler og kjerner, og de er mestere i å sette inn genetisk materiale i vertsgenomer. Opptil 8 % av det menneskelige genomet består av rester av retrovirus, fragmenter av infeksjoner fra lenge siden i vår arts historie.
Noen ganger går overføringen den andre veien også. I et papir publisert i Nature Mikrobiologi desember i fjor, Keeling, hans samarbeidspartner Nicholas Irwin fra University of Oxford og deres kolleger utførte den første omfattende analysen av horisontale genoverføringer mellom 201 eukaryoter og 108,842 6,700 virus. De fant bevis for mer enn XNUMX genoverføringer, med vert-til-virus-overføringer omtrent dobbelt så vanlig som virus-til-vert-overføringer. De konkluderte med at horisontale genoverføringer hadde vært viktige drivere for evolusjon på begge sider: Virus brukte ofte de eukaryote genene de skaffet seg for å bli mer effektive til å infisere vertene sine, mens eukaryoter noen ganger brukte elementer av de virale genene for å skape nye egenskaper eller for å regulere deres metabolisme på nye måter.
Funn som disse har overbevist noen biologer om at i det minste noen horisontale genoverføringer kan forenkles av virus. Hvis virus kan plukke opp gener fra vertene sine, og hvis de kan etterlate seg deler av genomet, ser det ut til at de også noen ganger kan ferge over gener fra den siste verten de infiserte, eller til og med en fra generasjoner siden, og gi dem til en ny vert.
Involvering av virus kan også bidra til å løse et annet puslespill om horisontale overføringer i eukaryoter. For at overføringene skal skje, må de reisende genene fjerne en hel serie med hindringer. Først må de komme seg fra donorarten til den nye vertsarten. Deretter må de komme inn i kjernen og feste seg i vertsgenomet. Men å komme inn i genomet til en hvilken som helst celle hjelper ikke: I flercellede skapninger som frosker og sild vil ikke et gen overføres til dyrets avkom med mindre det kan snike seg inn i en kimcelle - en sædcelle eller et egg.
Virus kan gjøre den serien av hendelser mer sannsynlig. I små organismer som nematoden, sa Danchin, er reproduksjonskanalen og dens kjønnsceller ikke langt fra tarmkanalen, hvor virus inntatt på mat kan slå seg ned. Fordi frosker slipper eggene og sædcellene ut i det åpne vannet, er disse cellene potensielt sårbare for virus i miljøet som kan skli inn gener.
Selv med større skapninger kan det være enklere enn du tror. På dette tidspunktet er det fortsatt en spekulativ idé, men "reproduksjonskanalen er full av mikrober og virus," sa Danchin. "Vi vet at noen virus infiserer spesifikt kjønnsceller."
Keeling foreslår at for å forstå mysteriet med horisontal genoverføring, bør vi kanskje tenke på dem som økologiske konsekvenser av en organismes atferd, dens naboer og dens miljø. Hvis et horisontalt overført gen gir noen overlevelsesfordeler, vil det sannsynligvis være svært avhengig av det spesifikke scenariet der mottakeren av genet befinner seg - et iskaldt hav, en varm kilde, en appetittvekkende vertsplante med tøft forsvar. "De er så bundet til økologien der den tingen er, men den endrer seg," spekulerte han. Med feil skift i miljøet er det overførte genet "ikke lenger fordelaktig, og det går tapt."
Økologiske ledetråder
Horisontale genoverføringer i eukaryoter kan skje hele tiden: i dammen i hagen din, i jorda under føttene dine, i dyrene, insektene og plantene som utgjør økosystemet. "Jeg tror det er mye mer overføring enn vi vet," sa Bhattacharya. "Vi ser dem bare ikke fordi de er feid ut."
For å sjekke hvor vanlig det er at frosker har slange BovB, tok Kurabayashis team ut til sine kolleger for prøver av frosker fra hele verden for DNA-sekvensering. De fant at av 149 arter kom 50 tilbake med BovB. De 32 madagaskiske froskene de testet utgjorde mindre enn en fjerdedel av alle artene som ble tatt prøver av, men 29 av dem bar slangegenet - et klart flertall av alle overføringene som ble funnet rundt om i verden. Dessuten fikk ikke minst to av froskelinjene BovB til etter at deres forfedre migrerte fra Afrika til Madagaskar.
Det mest interessante med avisen, sa Graham, "er at det viser at overføringshastigheten ikke er ensartet. Det varierer mye mellom geografiske regioner." Hvis flere studier har som mål å se på genoverføring rundt om i verden - å se om overføringer har skjedd med forskjellige hastigheter på forskjellige steder - kan det vi finner overraske oss. Kanskje geografi betyr mer enn vi kunne forvente.
Er det noe med miljøet på Madagaskar som gjør det til et hot spot for genoverføringer? Ingen vet. Kurabayashi sier at han og gruppen hans mistenker sterkest at slangen BovB på Madagaskar skiller seg fra versjoner andre steder i verden ved å være litt flinkere til å bli en ny vert.
Men overfloden av parasitter på øya kan også være en medvirkende årsak. For eksempel, "på Madagaskar er det mange igler," sa Miguel Vences, en herpetolog ved Braunschweig University of Technology i Tyskland og forfatter av den nye artikkelen. "Hvis du er i regnskogen, vil du legge merke til dem." De blodsugende skapningene lever av mange typer dyr, inkludert frosker og slanger, og de er ikke over prøvetaking av mennesker. Vences og hans kolleger spekulerer i at igler kan bringe blod som inneholder slangens hoppegen inn i froskene, eller kanskje er hoppegenet allerede i iglens eget genom fra tidligere kontakter med slanger. Så gjør kanskje et uidentifisert virus resten.
Dessverre er det ikke lett å bevise eller motbevise scenarier som beskriver hvordan slike horisontale overføringer kan ha skjedd. Uten seleksjon for å bevare DNA-sekvenser, har de en tendens til å mutere og bli forvrengt over lange tidsperioder, noe som sletter de molekylære bevisene på en overføring. Og hvis et virus er involvert i overføringen, kan det etterlate svært lite bevis i utgangspunktet, sa Graham. Forskere kan derfor nesten trenge å ta et genetisk hopp på fersken for å vite hvordan det skjer.
Bhattacharya er i de tidlige stadiene av et prosjekt som tar sikte på å gjøre nettopp det. I de varme kildene ved Lemonade Creek i Yellowstone nasjonalpark leter han og kollegene etter tegn på overføringer som fortsatt kan være i ferd med å feste seg. De studerer DNAet til rødalger som har plukket opp gener fra bakterier som også lever i kildene, gener som bare har små forskjeller fra de originale. "Vi snakker ikke om millioner av år siden," sa Bhattacharya. "Vi snakker om DNA som er svært likt, som eksisterer side om side i to forskjellige livsdomener, i samme miljø."
Hvis forskerne finner ut at alger i nærliggende kilder mangler noen av disse overførte genene, kan de være vitne til begynnelsen på en krusning av genetisk endring som beveger seg utover gjennom algene, fra en nabokilde til den neste. Hvert nye varmt basseng kan være en øy på randen av en transformasjon.
