Introducere
Cocoțată pe o frunză în pădurea tropicală, micuța broască aurie Mantella adăpostește un secret. Împărtășește acel secret cu broasca cu limbă de furculiță, broasca cu stuf și nenumărate alte broaște de pe dealurile și pădurile din insula Madagascar, precum și cu boaele și alți șerpi care le pradă. Pe această insulă, ale cărei multe specii de animale nu se găsesc nicăieri altundeva, geneticienii au făcut recent o descoperire surprinzătoare: presărat prin genomul broaștelor este o genă, BovB, care se pare că proveneau de la șerpi.
După ce cercetează cu atenție genomul speciilor de broaște și șerpi din întreaga lume, oamenii de știință au raportat în aprilie în o hartie in Biologie moleculară și evoluție că această genă a călătorit cumva de la șerpi la broaște de cel puțin 50 de ori pe toată planeta. Dar în Madagascar s-a introdus în broaște cu o promiscuitate uluitoare: 91% dintre speciile de broaște eșantionate acolo o au. Ceva pare să facă din Madagascar un loc excepțional de propice pentru ca gena să devină mobilă.
Cand Atsushi Kurabayashi, profesor asociat la Institutul de Bio-Știință și Tehnologie Nagahama și autor principal al noii lucrări, a văzut pentru prima dată versiunea de șarpe a genei la broaște, a rămas nedumerit. El a întrebat despre asta un coleg care este specializat în genomică, iar colegul a strigat imediat: „Trebuie să fie transfer orizontal!” — transferul unei gene de la o specie la alta, spre deosebire de moștenirea verticală a genelor de către un copil de la un părinte.
Acea izbucnire l-a trimis pe Kurabayashi pe urmele unui fenomen considerat odată a fi extrem de rar, deși creșterea unei secvențieri genomice mai bune îi face pe biologi să reevalueze această opinie. Și această nouă lucrare, care arată că transferul orizontal al genelor poate fi mai probabil în unele locuri decât în altele, complică și mai mult povestea. Acesta sugerează că atunci când caută explicații pentru transferurile orizontale, cercetătorii ar putea avea nevoie să privească dincolo de mecanismele genetice simple la contextele ecologice în care trăiesc speciile. Genomiștii încă se luptă să înțeleagă cât de comune sau rare sunt transferurile orizontale în organismele complexe, dar unele locuri, cum ar fi Madagascar, pot fi puncte fierbinți pentru ei.
Introducere
Când Genele Rătăcesc
Transferul orizontal este obișnuit în bacterii. Organismele unicelulare pline care populează aproape fiecare crăpătură de pe planetă preiau gene din mediul lor la fel de ușor precum o perie de scame ridică părul de pisică. Acesta este unul dintre motivele pentru care rezistența bacteriană la antibiotice este larg răspândită: genele de protecție sunt transmise cu ușurință, iar selecția naturală asigură că bacteriile rezistente învinge vecinii lor și își transmit genele generației următoare. Bacteriile schimbă genele atât de ușor încât unii oameni de știință au propus chiar să se formeze bacterii o rețea de viață înrudite mai degrabă decât un arbore genealogic ramificat.
Celulele organismelor eucariote precum oamenii, broaștele și șerpii, totuși, sunt diferite. Nucleul lor celular pare de obicei ca o fortăreață pentru protejarea genomului. ADN-ul este atent încolăcit și stocat în biblioteca acelei cetăți, enzimele care provoacă doar genele pe care trebuie să le examineze la un moment dat. Celula este încărcată cu sisteme de siguranță pentru a preveni deteriorarea ADN-ului său și pentru a repara uzura. Dacă genomul este ca un manuscris iluminat neprețuit, bibliotecarii săi poartă săbii.
Cu toate acestea, exemplele de transferuri orizontale de gene care implică eucariote continuă să apară în literatura științifică. Heringii și smelts, peștii neînrudiți care înoată în apele înghețate ale Oceanului Arctic, nordul Pacificului și nordul Atlanticului, au exact aceeași genă pentru o proteină care le împiedică să înghețe sângele; probabil că a sărit din heringi în smelts. Laurie Graham, un biolog molecular de la Universitatea Queen din Canada, și colegii ei au raportat acest lucru anul trecut; descoperirile lor au fost atât de contraintuitive încât Graham a avut dificultăți să publice lucrarea.
În mod similar, biologul evoluționist Etienne GJ Danchin și colegii săi de la Institutul Național de Cercetare pentru Agricultură, Alimentație și Mediu din Franța studiază o suită de enzime că viermii nematozi au primit de la bacterii. Și peste 100 de familii de gene par să fi trecut de la microbi la plante cu mult timp în urmă, a scris Jinling Huang de la Universitatea din Carolina de Est și colegii săi într-o hârtie în acest an.
Există motive foarte clare pentru care evoluția a zâmbit unora dintre aceste transferuri improbabile. Peștele cu gena nu îngheață. Enzimele digestive ale nematodelor le permit să stoarcă mai multă energie din pereții celulari ai plantelor pe care le mănâncă. Din cauza unui grup de enzime preluate din bacterii, algele roșii care locuiesc în izvoarele termale studiate de biologul evoluționist Debashish Bhattacharya și elevul său Julia Van Etten la Universitatea Rutgers pot supraviețui contactului cu substanțe care altfel i-ar ucide. Dacă o genă sporește supraviețuirea, nu durează mult până când descendenții primului organism care o dobândesc să o preia.
Nu toate aceste gene rătăcitoare, totuși, transmit neapărat un avantaj. BovB este un transpozon binecunoscut, un fragment de material genetic predispus să sară aleatoriu în jurul genomului. Într-un fel, săriturile sale de la șerpi în broaște în Madagascar – oricum s-au întâmplat – sunt doar salturi bizare mai mari decât de obicei. Mai mult, deși transpozonii pot avea efecte profunde asupra genomului, BovB nu este o genă cu o funcție în sensul tradițional; este doar un pic de ADN care face copii ale lui însuși. Kurabayashi notează că, deși posibilitatea ca BovB a beneficiat broaștele nu pot fi excluse, este mai probabil ca BovB persistă prin propriul său succes agresiv la autoduplicare. Acest lucru poate ajuta la explicarea de ce atunci când eucariotele se termină cu materialul genetic al altor organisme, transpozoni ca BovB sunt adesea implicate.
Oricât de ciudat ar părea pentru eucariote să preia gene din bacterii, mai ciudat este faptul că exemplele de transfer orizontal de gene în cealaltă direcție sunt mult mai rare. Din anumite motive, bacteriile nu vor genele noastre. Genele eucariote au caracteristici structurale care le fac să nu fie un material perfect pentru bacterii, dar pot exista și alți factori care contribuie.
„Poate că eucariotele nu au genele de care sunt interesate bacteriile”, a spus Patrick Keeling, un biolog la Universitatea din British Columbia care studiază transferurile orizontale.
Mergând viral
Spre deosebire de bacterii, virușii au un adevărat talent pentru a prelua gene de la gazdele lor eucariote. Virușii, în special cei numiți retrovirusuri, au instrumentele necesare pentru a pătrunde în celulele și nucleele unei gazde și sunt maeștri în introducerea materialului genetic în genomul gazdei. Până la 8% din genomul uman este alcătuit din resturi de retrovirusuri, fragmente ale unor infecții de demult din istoria speciei noastre.
Uneori, transferul merge și în sens invers. În o hartie publicat în Natura Microbiologie în decembrie trecut, Keeling, colaboratorul său Nicholas Irwin de la Universitatea din Oxford și colegii lor au efectuat prima analiză cuprinzătoare a transferurilor orizontale de gene între 201 eucariote și 108,842 viruși. Ei au găsit dovezi pentru mai mult de 6,700 de transferuri de gene, cu transferuri de la gazdă la virus de aproximativ două ori mai frecvente decât transferurile de la virus la gazdă. Ei au ajuns la concluzia că transferurile orizontale de gene au fost motoarele majore ale evoluției de ambele părți: virusurile foloseau adesea genele eucariote pe care le-au dobândit pentru a deveni mai eficienți în infectarea gazdelor lor, în timp ce eucariotele foloseau uneori elemente ale genelor virale pentru a crea caracteristici noi sau pentru a-și regla. metabolismul în moduri noi.
Descoperiri ca acestea i-au convins pe unii biologi că cel puțin unele transferuri orizontale de gene pot fi facilitate de viruși. Dacă virușii pot prelua gene de la gazdele lor și dacă pot lăsa în urmă bucăți din genomul lor, pare posibil ca uneori să poată transporta și peste gene de la ultima gazdă pe care au infectat-o, sau chiar una din generații în urmă, și să le dea o nouă gazdă.
Implicarea virușilor ar putea ajuta, de asemenea, la rezolvarea unui alt puzzle despre transferurile orizontale la eucariote. Pentru ca transferurile să aibă loc, genele care călătoresc trebuie să îndepărteze o serie întreagă de obstacole. Mai întâi trebuie să treacă de la specia donatoare la noua specie gazdă. Apoi, ei trebuie să intre în nucleu și să se instaleze în genomul gazdei. Dar intrarea în genomul oricărei celule nu va funcționa: la creaturile multicelulare precum broaștele și heringii, o genă nu va fi transmisă descendenților animalului decât dacă se poate strecura într-o celulă germinativă - un spermatozoid sau un ou.
Virușii ar putea face ca această serie de evenimente să fie mai probabilă. În organismele mici, cum ar fi nematodul, a spus Danchin, tractul reproducător și celulele sale germinale nu sunt departe de tractul intestinal, unde virușii ingerați pe alimente se pot instala. Deoarece broaștele își eliberează ouăle și sperma în apă deschisă, acele celule sunt potențial vulnerabile la virușii din mediu care ar putea aluneca în gene.
Chiar și cu creaturi mai mari, ar putea fi mai ușor decât crezi. În acest moment, este încă o idee speculativă, dar „tractul reproducător este plin de microbi și viruși”, a spus Danchin. „Știm că unii viruși infectează în mod specific celulele germinale.”
Keeling sugerează că pentru a înțelege misterul transferului orizontal al genelor, poate că ar trebui să ne gândim la ele ca la consecințe ecologice ale comportamentelor unui organism, ale vecinilor săi și ale mediului său. Dacă o genă transferată orizontal conferă vreun beneficiu de supraviețuire, este probabil să fie foarte dependentă de scenariul specific în care se găsește destinatarul genei - o mare înghețată, un izvor termal, o plantă gazdă apetisantă cu apărări dure. „Sunt atât de legați de ecologia în care se află acel lucru, dar se schimbă”, a speculat el. Cu o schimbare greșită a mediului, gena transferată „nu mai este avantajoasă și este pierdută”.
Indicii ecologice
Transferurile orizontale de gene la eucariote se pot întâmpla tot timpul: în iazul din curtea ta, în pământul de sub picioarele tale, în animalele, insectele și plantele care alcătuiesc ecosistemul. „Cred că există mult mai multe transferuri decât știm”, a spus Bhattacharya. „Doar că nu le vedem pentru că sunt măturate.”
Pentru a verifica cât de comun este ca broaștele să aibă șarpe BovB, echipa lui Kurabayashi a contactat colegii lor pentru mostre de broaște din întreaga lume pentru secvențierea ADN-ului. Ei au descoperit că din 149 de specii, 50 s-au întors cu BovB. Cele 32 de broaște malgașe pe care le-au testat au reprezentat mai puțin de un sfert din toate speciile prelevate, dar 29 dintre ele poartă gena șarpelui - o majoritate clară a tuturor transferurilor găsite în întreaga lume. Mai mult, cel puțin două dintre descendența de broaște nu au dobândit BovB până după ce strămoșii lor au migrat din Africa în Madagascar.
Cel mai interesant lucru la ziar, a spus Graham, „este că arată că rata de transfer nu este uniformă. Acesta variază foarte mult între regiunile geografice.” Dacă mai multe studii s-au stabilit cu scopul de a analiza transferul de gene pe tot globul - să vedem dacă transferurile s-au întâmplat în ritmuri diferite în locuri diferite - ceea ce găsim ne poate surprinde. Poate că geografia contează mai mult decât ne-am putea aștepta.
Există ceva în mediul din Madagascar care îl face un punct fierbinte pentru transferurile de gene? Nimeni nu stie. Kurabayashi spune că el și grupul său bănuiesc cel mai tare că șarpele BovB în Madagascar diferă de versiunile din alte părți ale lumii prin faptul că este puțin mai bun la intrarea într-o nouă gazdă.
Dar abundența paraziților de pe insulă ar putea fi, de asemenea, un factor care contribuie. De exemplu, „în Madagascar, există o mulțime de lipitori”, a spus Miguel Vences, herpetolog la Universitatea de Tehnologie Braunschweig din Germania și autor al noii lucrări. „Dacă te afli în pădurea tropicală, le vei observa.” Creaturile suge de sânge se hrănesc cu multe tipuri de animale, inclusiv broaște și șerpi, și nu sunt mai presus de eșantionarea oamenilor. Vences și colegii săi speculează că lipitorile pot aduce sânge care conține gena de săritură a șarpelui în broaște sau poate că gena de săritură se află deja în genomul propriu al lipitorii de la contactele anterioare cu șerpii. Atunci poate un virus neidentificat face restul.
Din păcate, nu este ușor să demonstrezi sau să infirmi scenarii care descriu cum ar fi putut avea loc astfel de transferuri orizontale. Fără selecție pentru a păstra secvențele de ADN, ele au tendința de a muta și de a fi amestecate pe perioade lungi de timp, ștergând dovezile moleculare ale unui transfer. Și dacă un virus este implicat în transfer, acesta poate lăsa foarte puține dovezi în primul rând, a spus Graham. Prin urmare, cercetătorii ar putea avea nevoie să prindă un salt genetic în acțiune pentru a ști cum se întâmplă.
Bhattacharya se află în fazele incipiente ale unui proiect care își propune să facă exact asta. În izvoarele termale de la Lemonade Creek din Parcul Național Yellowstone, el și colegii săi caută semne de transferuri care ar putea fi încă în curs de preluare. Ei studiază ADN-ul algelor roșii care au preluat gene din bacterii care trăiesc și în izvoare, gene care prezintă doar mici diferențe față de originale. „Nu vorbim despre acum milioane de ani”, a spus Bhattacharya. „Vorbim despre ADN care este foarte asemănător, care coexistă în două domenii diferite ale vieții, în același mediu.”
Dacă oamenii de știință descoperă că algelor din izvoarele din apropiere le lipsește oricare dintre aceste gene transferate, atunci ei ar putea fi martori la începutul unei valuri de schimbare genetică care se deplasează în exterior prin alge, de la un izvor vecin la altul. Fiecare nou bazin fierbinte poate fi o insulă aflată în pragul unei transformări.
