Jak geny mogą przeskoczyć od węży do żab na Madagaskarze?

Usadowiona na liściu w lesie deszczowym maleńka złota żaba mantella kryje w sobie tajemnicę. Dzieli tę tajemnicę z żabą z widłami, żabą trzcinową i niezliczonymi innymi żabami w górach i lasach wyspiarskiego narodu Madagaskaru, a także z boa i innymi wężami, które na nich polują. Na tej wyspie, której wiele gatunków zwierząt nie występuje nigdzie indziej, genetycy dokonali ostatnio zaskakującego odkrycia: w genomach żab znajduje się gen, BovB, który pozornie pochodzi od węży.

Po przestudiowaniu genomów gatunków żab i węży na całym świecie, naukowcy poinformowali w kwietniu w papier in Biologia molekularna i ewolucja że ten gen w jakiś sposób przeniósł się od węży do żab co najmniej 50 razy na całej planecie. Ale na Madagaskarze wszczepiła się w żaby z zaskakującą rozwiązłością: ma ją 91% gatunków żab, które tam pobrano. Wydaje się, że coś sprawia, że ​​Madagaskar jest miejscem wyjątkowo sprzyjającym mobilności genu.

Kiedy Atsushi Kurabayashiego, profesor nadzwyczajny w Instytucie Nauki Biologicznej i Technologii Nagahama i starszy autor nowego artykułu, po raz pierwszy zobaczył wężową wersję genu u żab, był zdziwiony. Zapytał o to kolegę, który specjalizuje się w genomice, a kolega od razu krzyknął: „To musi być transfer poziomy!” — przeniesienie genu z jednego gatunku na drugi, w przeciwieństwie do wertykalnego dziedziczenia genów przez dziecko od rodzica.

Ten wybuch skierował Kurabayashiego na trop zjawiska, które kiedyś uważano za niezwykle rzadkie, chociaż rozwój lepszego sekwencjonowania genomowego skłonił biologów do ponownej oceny tej opinii. A ten nowy artykuł, który pokazuje, że poziomy transfer genów może być bardziej prawdopodobny w niektórych miejscach niż w innych, jeszcze bardziej komplikuje sprawę. Sugeruje to, że szukając wyjaśnień dla transferów horyzontalnych, badacze mogą być zmuszeni spojrzeć poza proste mechanizmy genetyczne na konteksty ekologiczne, w których żyją gatunki. Genomicy wciąż starają się zrozumieć, jak powszechne lub rzadkie są transfery poziome w złożonych organizmach, ale niektóre miejsca, takie jak Madagaskar, mogą być dla nich gorącymi punktami.

Kiedy geny wędrują

Transfer poziomy jest powszechny u bakterii. Tętniące jednokomórkowe organizmy, które zamieszkują prawie każdy zakamarek na planecie, wychwytują geny ze swojego środowiska tak łatwo, jak szczotka do kłaczków wyłapuje kocią sierść. To jeden z powodów, dla których oporność bakterii na antybiotyki jest powszechna: geny ochronne są łatwo przekazywane, a dobór naturalny zapewnia, że ​​oporne bakterie wygrywają z sąsiadami i przekazują swoje geny następnemu pokoleniu. Bakterie tak łatwo wymieniają geny, że niektórzy naukowcy sugerowali nawet, że tworzą się bakterie sieć pokrewnego życia zamiast rozgałęzionego drzewa genealogicznego.

Jednak komórki organizmów eukariotycznych, takich jak ludzie, żaby i węże, są inne. Ich jądro komórkowe zwykle wydaje się fortecą chroniącą genom. DNA jest starannie zwijane i przechowywane w bibliotece cytadeli, z enzymami wywołującymi tylko te geny, które w danym momencie muszą zbadać. Komórka jest wyposażona w zabezpieczenia przed uszkodzeniem, aby zapobiec uszkodzeniu jej DNA i naprawić zużycie. Jeśli genom jest jak bezcenny iluminowany rękopis, jego bibliotekarze noszą miecze.

Niemniej jednak przykłady horyzontalnych transferów genów z udziałem eukariontów wciąż pojawiają się w literaturze naukowej. Śledzie i stynki, niespokrewnione ryby, które pływają w lodowatych wodach Arktyki, północnego Pacyfiku i północnego Atlantyku, mają dokładnie ten sam gen o białko, które zapobiega zamarzaniu ich krwi; prawdopodobnie przeskoczył ze śledzi na stynie. Laurie Graham, biolog molekularny z Queen's University w Kanadzie, i jej koledzy zgłosili to w zeszłym roku; ich odkrycia były tak sprzeczne z intuicją, że Graham miał trudności z opublikowaniem pracy.

Podobnie biolog ewolucyjny Etienne GJ Danchin i jego koledzy z Krajowego Instytutu Badawczego ds. Rolnictwa, Żywności i Środowiska we Francji studiują zestaw enzymów że nicienie dostały się od bakterii. Wydaje się, że ponad 100 rodzin genów dawno temu przeskoczyło z drobnoustrojów na rośliny Jinling Huang z Uniwersytetu Karoliny Wschodniej i współpracowników w gazecie w tym roku.

Istnieją piękne powody, dla których ewolucja uśmiechnęła się do niektórych z tych nieprawdopodobnych transferów. Ryby z genem nie zamarzają. Enzymy trawienne nicieni umożliwiają im wyciskanie większej ilości energii ze ścian komórkowych roślin, które zjadają. Z powodu skupiska enzymów pobranych z bakterii, zamieszkujące gorące źródła krasnorosty badane przez biologa ewolucyjnego Debashish Bhattacharya i jego uczeń Julii Van Etten na Rutgers University mogą przetrwać kontakt z substancjami, które w przeciwnym razie by je zabiły. Jeśli gen zwiększa przeżycie, nie trwa długo, zanim przejmą go potomkowie pierwszego organizmu.

Jednak nie wszystkie te wędrujące geny przekazują przewagę. BovB jest dobrze znanym transpozonem, skrawkiem materiału genetycznego podatnego na przypadkowe przeskakiwanie po genomie. W pewnym sensie jego skoki z węży w żaby na Madagaskarze — jakkolwiek by się nie zdarzały — są po prostu dziwnie większymi skokami niż zwykle. Co więcej, chociaż transpozony mogą mieć głęboki wpływ na genomy, BovB nie jest genem pełniącym funkcję w tradycyjnym sensie; to tylko kawałek DNA, który tworzy swoje kopie. Kurabayashi zauważa, że ​​chociaż istnieje możliwość, że BovB nie można wykluczyć, że żaby skorzystały, jest bardziej prawdopodobne, że BovB utrzymuje się dzięki własnemu agresywnemu sukcesowi w samopowielaniu. To może pomóc wyjaśnić, dlaczego eukarionty łączą się z materiałem genetycznym innych organizmów, transpozony jak BovB są często zaangażowani.

Choć mogłoby się wydawać, że eukarionty pobierają geny z bakterii, jeszcze dziwniejszy jest fakt, że przykłady horyzontalnego transferu genów w przeciwnym kierunku są znacznie rzadsze. Z jakiegoś powodu bakterie nie chcą naszych genów. Geny eukariotyczne mają cechy strukturalne, które sprawiają, że nie są idealnym materiałem dla bakterii, ale mogą być też inne czynniki.

„Może eukarionty nie mają genów, którymi interesują się bakterie” – powiedział Patricka Keelinga, biolog z University of British Columbia, który bada transfery poziome.

Staje się popularne w sieci

W przeciwieństwie do bakterii wirusy mają prawdziwy talent do pobierania genów od swoich gospodarzy eukariotycznych. Wirusy, szczególnie te zwane retrowirusami, mają narzędzia do przedostawania się do komórek i jąder gospodarza i są mistrzami we wprowadzaniu materiału genetycznego do genomu gospodarza. Aż 8% ludzkiego genomu składa się z resztek retrowirusów, fragmentów dawnych infekcji w historii naszego gatunku.

Czasami transfer idzie też w drugą stronę. W papier opublikowane w Nature Microbiology w grudniu ubiegłego roku Keeling, jego współpracownik Mikołaj Irwin z Uniwersytetu Oksfordzkiego i ich koledzy przeprowadzili pierwszą kompleksową analizę horyzontalnych transferów genów między 201 eukariontami i 108,842 6,700 wirusami. Znaleźli dowody na ponad XNUMX transferów genów, przy czym transfery z gospodarza na wirusa około dwa razy częściej niż transfery z wirusa na gospodarza. Doszli do wniosku, że horyzontalne transfery genów były głównym motorem ewolucji po obu stronach: wirusy często wykorzystywały nabyte geny eukariotyczne, aby skuteczniej zarażać swoich gospodarzy, podczas gdy eukarionty czasami wykorzystywały elementy genów wirusowych do tworzenia nowych cech lub regulowania ich metabolizm na nowe sposoby.

Takie odkrycia przekonały niektórych biologów, że przynajmniej niektóre poziome transfery genów mogą być ułatwione przez wirusy. Jeśli wirusy mogą pobierać geny od swoich gospodarzy i jeśli potrafią pozostawić fragmenty swoich genomów, wydaje się możliwe, że mogą czasami przenosić geny od ostatniego zainfekowanego gospodarza, a nawet jednego sprzed pokoleń, i przekazać je do nowy gospodarz.

Zaangażowanie wirusów może również pomóc w rozwiązaniu innej zagadki dotyczącej transferów poziomych u eukariontów. Aby nastąpiło przeniesienie, podróżujące geny muszą pokonać całą serię przeszkód. Najpierw muszą przejść z gatunku dawcy do nowego gatunku gospodarza. Następnie muszą dostać się do jądra i zagnieździć się w genomie gospodarza. Ale dostanie się do genomu jakiejkolwiek komórki nie wystarczy: u stworzeń wielokomórkowych, takich jak żaby i śledzie, gen nie zostanie przekazany potomstwu zwierzęcia, chyba że przekradnie się do komórki zarodkowej — plemnika lub komórki jajowej.

Wirusy mogą sprawić, że ta seria zdarzeń będzie bardziej prawdopodobna. Jak mówi Danchin, u małych organizmów, takich jak nicienie, układ rozrodczy i jego komórki rozrodcze znajdują się niedaleko przewodu pokarmowego, w którym mogą osiedlać się wirusy spożywane z pokarmem. Ponieważ żaby uwalniają swoje jajeczka i plemniki do otwartej wody, komórki te są potencjalnie podatne na wirusy w środowisku, które mogą prześlizgnąć się do genów.

Nawet z większymi stworzeniami może to być łatwiejsze niż myślisz. W tym momencie jest to nadal pomysł spekulacyjny, ale „układ rozrodczy jest pełen drobnoustrojów i wirusów” – powiedział Danchin. „Wiemy, że niektóre wirusy infekują komórki rozrodcze”.

Keeling sugeruje, że aby zrozumieć tajemnicę horyzontalnego transferu genów, być może powinniśmy myśleć o nich jako o ekologicznych konsekwencjach zachowań organizmu, jego sąsiadów i środowiska. Jeśli przeniesiony poziomo gen zapewnia jakąkolwiek korzyść w zakresie przetrwania, prawdopodobnie będzie w dużym stopniu uzależniony od konkretnego scenariusza, w którym znajduje się biorca genu – lodowate morze, gorące źródło, apetyczna roślina żywicielska z twardą obroną. „Są tak przywiązani do ekologii, w której to jest, ale to się zmienia” – spekulował. Przy niewłaściwej zmianie środowiska, przeniesiony gen „nie jest już korzystny i zostaje utracony”.

Ekologiczne wskazówki

Poziome transfery genów u eukariontów mogą zachodzić cały czas: w stawie na twoim podwórku, w glebie pod twoimi stopami, u zwierząt, owadów i roślin, które tworzą ekosystem. „Myślę, że jest o wiele więcej transferu, niż wiemy” – powiedział Bhattacharya. „Po prostu ich nie widzimy, ponieważ zostały zmiecione”.

Aby sprawdzić, jak często żaby mają węża BovB, zespół Kurabayashiego skontaktował się z kolegami po próbki żab z całego świata do sekwencjonowania DNA. Odkryli, że na 149 gatunków 50 wróciło z BovB. 32 żaby Madagaskaru, które przetestowali, stanowiły mniej niż jedną czwartą wszystkich pobranych próbek, ale 29 z nich nosiło gen węża – wyraźną większość wszystkich transferów znalezionych na całym świecie. Co więcej, co najmniej dwie z linii żab nie nabyły BovB aż do czasu, gdy ich przodkowie wyemigrowali z Afryki na Madagaskar.

Najbardziej interesującą rzeczą w gazecie, powiedział Graham, „jest pokazanie, że tempo transferu nie jest jednolite. Różni się znacznie w zależności od regionu geograficznego”. Jeśli więcej badań ma na celu przyjrzenie się transferowi genów na całym świecie — sprawdzenie, czy transfery zachodziły w różnym tempie w różnych miejscach — to, co odkryjemy, może nas zaskoczyć. Być może geografia ma większe znaczenie, niż moglibyśmy się spodziewać.

Czy w środowisku Madagaskaru jest coś, co sprawia, że ​​jest to gorące miejsce dla transferów genów? Nikt nie wie. Kurabayashi mówi, że on i jego grupa najbardziej podejrzewają, że wąż BovB na Madagaskarze różni się od wersji w innych częściach świata tym, że jest tylko trochę lepszy w dostaniu się do nowego gospodarza.

Czynnikiem może być również obfitość pasożytów na wyspie. Na przykład „na Madagaskarze jest dużo pijawek”, powiedział Miguela Vencesa, herpetolog z Uniwersytetu Technologicznego w Braunschweig w Niemczech i autor nowego artykułu. „Jeśli jesteś w lesie deszczowym, zauważysz je”. Stworzenia krwiopijne żywią się wieloma rodzajami zwierząt, w tym żabami i wężami, i nie wahają się pobierać próbek od ludzi. Vences i jego koledzy spekulują, że pijawki mogą przenosić krew zawierającą gen skoku węża do żab, a być może gen skoku jest już we własnym genomie pijawki z poprzednich kontaktów z wężami. Wtedy może niezidentyfikowany wirus zajmie się resztą.

Niestety nie jest łatwo udowodnić lub obalić scenariusze opisujące, w jaki sposób takie horyzontalne transfery mogły mieć miejsce. Bez selekcji mającej na celu zachowanie sekwencji DNA, mają tendencję do mutowania i mieszania się przez długi czas, wymazując molekularne dowody transferu. A jeśli w transfer jest zaangażowany wirus, może to pozostawić bardzo niewiele dowodów, powiedział Graham. Dlatego badacze mogą być niemal zmuszeni do uchwycenia skoku genetycznego na gorącym uczynku, aby wiedzieć, jak to się dzieje.

Bhattacharya jest na wczesnym etapie projektu, którego celem jest właśnie to. W gorących źródłach w Lemonade Creek w Parku Narodowym Yellowstone, on i jego koledzy szukają oznak transferów, które mogą nadal trwać. Badają DNA czerwonych alg, które przejęły geny bakterii żyjących również w źródłach, geny różniące się tylko nieznacznie od oryginałów. „Nie mówimy o milionach lat temu”, powiedział Bhattacharya. „Mówimy o bardzo podobnym DNA, które współistnieje w dwóch różnych domenach życia, w tym samym środowisku”.

Jeśli naukowcy odkryją, że glonom w pobliskich źródłach brakuje któregokolwiek z tych przeniesionych genów, być może są świadkami początku fali zmian genetycznych przemieszczających się na zewnątrz przez glony, z jednego sąsiedniego źródła do drugiego. Każdy nowy gorący basen może być wyspą na krawędzi transformacji.