Введение
Сидящая на листе в тропическом лесу крошечная золотая лягушка-мантелла скрывает секрет. Он разделяет этот секрет с лягушкой с раздвоенным языком, тростниковой лягушкой и множеством других лягушек в холмах и лесах островного государства Мадагаскар, а также с удавами и другими змеями, которые охотятся на них. На этом острове, многие виды животных которого больше нигде не встречаются, генетики недавно сделали удивительное открытие: в геномах лягушек есть ген, БовБ, что, казалось бы, произошло от змей.
Изучив геномы лягушек и змей по всему миру, ученые сообщили в апреле в бумага in Молекулярная биология и эволюция что этот ген каким-то образом путешествовал от змей к лягушкам не менее 50 раз по всей планете. Но на Мадагаскаре он внедряется в лягушек с поразительной неразборчивостью: он есть у 91% отобранных там видов лягушек. Кажется, что-то делает Мадагаскар исключительно подходящим местом для того, чтобы ген стал мобильным.
После появления Ацуши Курабаяши, доцент Института биологических наук и технологий Нагахамы и старший автор новой статьи, впервые увидев змеиную версию гена у лягушек, он был озадачен. Он спросил об этом коллегу, специализирующегося на геномике, и тот тут же закричал: «Это должен быть горизонтальный перенос!» — передача гена от одного вида к другому, в отличие от вертикального наследования генов потомком от родителя.
Эта вспышка заставила Курабаяси заняться изучением феномена, который когда-то считался чрезвычайно редким, хотя появление более совершенных методов секвенирования генома заставило биологов пересмотреть это мнение. И эта новая работа, которая показывает, что горизонтальный перенос генов может быть более вероятным в одних местах, чем в других, еще больше усложняет историю. Это предполагает, что при поиске объяснений горизонтального переноса исследователям, возможно, придется выйти за рамки простых генетических механизмов и обратиться к экологическим условиям, в которых живут виды. Геномисты все еще пытаются понять, насколько распространены или редки горизонтальные переносы в сложных организмах, но некоторые места, такие как Мадагаскар, могут быть для них горячими точками.
Введение
Когда гены блуждают
Горизонтальный перенос является обычным явлением у бактерий. Многочисленные одноклеточные организмы, населяющие почти каждую щель на планете, усваивают гены из окружающей среды так же легко, как щетка для ворса собирает кошачью шерсть. Это одна из причин, почему бактериальная устойчивость к антибиотикам широко распространена: защитные гены легко передаются, а естественный отбор гарантирует, что устойчивые бактерии превзойдут своих соседей и передадут свои гены следующему поколению. Бактерии так легко меняют гены, что некоторые ученые даже предположили, что бактерии образуют паутина родственной жизни а не разветвленное генеалогическое древо.
Однако клетки эукариотических организмов, таких как люди, лягушки и змеи, отличаются. Их клеточное ядро обычно кажется крепостью для защиты генома. ДНК тщательно свернута и хранится в библиотеке этой цитадели, а ферменты вызывают только те гены, которые им необходимо исследовать в любой момент времени. Клетка загружена отказоустойчивыми устройствами, чтобы предотвратить повреждение ее ДНК и восстановить износ. Если геном подобен бесценному иллюстрированному манускрипту, его библиотекари вооружены мечами.
Тем не менее, примеры горизонтального переноса генов с участием эукариот продолжают поступать в научную литературу. Сельдь и корюшка, неродственные рыбы, плавающие в ледяных водах Северного Ледовитого океана, северной части Тихого и северного Атлантического океанов, имеют точно такой же ген для белка, который удерживает их кровь от замерзания; вероятно, он перепрыгнул с сельди на корюшку. Лори Грэм, молекулярный биолог из Королевского университета в Канаде, и ее коллеги сообщили об этом в прошлом году; их выводы были настолько нелогичными, что Грэму было трудно опубликовать работу.
Точно так же биолог-эволюционист Этьен Г.Дж. Данчин и его коллеги из Национального исследовательского института сельского хозяйства, продовольствия и окружающей среды во Франции изучают набор ферментов что черви-нематоды получили от бактерий. И кажется, что более 100 генных семейств давным-давно перешли от микробов к растениям. Цзиньлин Хуан Университета Восточной Каролины и его коллеги в газете в этом году.
Есть прекрасно ясные причины, по которым эволюция улыбнулась некоторым из этих невероятных перемещений. Рыба с этим геном не замерзает. Пищеварительные ферменты нематод позволяют им извлекать больше энергии из клеточных стенок растений, которые они едят. Из-за набора ферментов, полученных от бактерий, живущие в горячих источниках красные водоросли, изученные биологом-эволюционистом Дебашиш Бхаттачарья и его ученик Джулия Ван Эттен в Университете Рутгерса могут пережить контакт с веществами, которые в противном случае убили бы их. Если ген повышает выживаемость, то вскоре потомки первого организма, приобретшего его, вступят во владение.
Однако не все эти блуждающие гены обязательно дают преимущество. БовБ — хорошо известный транспозон, обрывок генетического материала, склонный к случайным скачкам по геному. В некотором смысле его прыжки из змей в лягушек на Мадагаскаре — как бы они ни происходили — просто на удивление большие прыжки, чем обычно. Более того, хотя транспозоны могут иметь глубокое воздействие на геномы, БовБ не является геном с функцией в традиционном смысле; это просто кусочек ДНК, который делает копии самого себя. Курабаяси отмечает, что хотя вероятность того, что БовБ лягушки не исключены, более вероятно, что БовБ сохраняется благодаря собственному агрессивному успеху в самовоспроизведении. Это может помочь объяснить, почему, когда эукариоты сталкиваются с генетическим материалом других организмов, транспозоны как БовБ часто вовлечены.
Как ни странно может показаться, что эукариоты перенимают гены у бактерий, еще более странным является тот факт, что примеры горизонтального переноса генов в другом направлении встречаются гораздо реже. По какой-то причине бактериям не нужны наши гены. Эукариотические гены имеют структурные особенности, которые делают их далеко не идеальным материалом для бактерий, но могут быть и другие способствующие этому факторы.
«Возможно, у эукариот нет генов, которые интересны бактериям», — сказал он. Патрик Килинг, биолог из Университета Британской Колумбии, изучающий горизонтальные переносы.
Вирусный
В отличие от бактерий, вирусы действительно умеют перенимать гены у своих эукариотических хозяев. Вирусы, особенно те, которые называются ретровирусами, обладают инструментами для проникновения в клетки и ядра хозяина, и они прекрасно умеют вставлять генетический материал в геномы хозяина. До 8% генома человека состоит из остатков ретровирусов, фрагментов давних инфекций в истории нашего вида.
Иногда передача идет и в другую сторону. В бумага опубликованной в Природа Микробиология В декабре прошлого года Килинг, его сотрудник Николас Ирвин из Оксфордского университета и их коллеги провели первый комплексный анализ горизонтального переноса генов между 201 эукариотом и 108,842 6,700 вирусами. Они обнаружили доказательства более чем XNUMX переносов генов, причем переносы от хозяина к вирусу примерно в два раза чаще, чем переносы от вируса к хозяину. Они пришли к выводу, что горизонтальные переносы генов были основными движущими силами эволюции с обеих сторон: вирусы часто использовали приобретенные ими эукариотические гены, чтобы стать более эффективными при заражении своих хозяев, в то время как эукариоты иногда использовали элементы вирусных генов для создания новых признаков или для регуляции своих функций. метаболизм по-новому.
Находки, подобные этим, убедили некоторых биологов в том, что, по крайней мере, некоторым горизонтальным переносам генов могут способствовать вирусы. Если вирусы могут получать гены от своих хозяев и если они могут оставлять после себя фрагменты своих геномов, кажется возможным, что иногда они могут также переносить гены от последнего зараженного ими хозяина или даже от одного поколения назад и передавать их вирусам. новый хозяин.
Участие вирусов также может помочь решить другую загадку о горизонтальном переносе у эукариот. Чтобы передача произошла, путешествующим генам необходимо преодолеть целый ряд препятствий. Сначала они должны перейти от видов-доноров к новым видам-хозяевам. Затем они должны проникнуть в ядро и закрепиться в геноме хозяина. Но проникнуть в геном любой клетки не получится: у многоклеточных существ, таких как лягушки и сельди, ген не будет передаваться потомству животного, если только он не сможет проникнуть в клетку зародышевой линии — сперматозоид или яйцеклетку.
Вирусы могут сделать эту серию событий более вероятной. По словам Данчина, у мелких организмов, таких как нематода, репродуктивный тракт и его зародышевые клетки находятся недалеко от кишечного тракта, где могут оседать вирусы, попавшие в организм с пищей. Поскольку лягушки выпускают свои яйца и сперму в открытую воду, эти клетки потенциально уязвимы для вирусов в окружающей среде, которые могут проникнуть в гены.
Даже с более крупными существами это может быть проще, чем вы думаете. На данный момент это все еще спекулятивная идея, но «репродуктивный тракт полон микробов и вирусов», — сказал Данчин. «Мы знаем, что некоторые вирусы поражают именно зародышевые клетки».
Килинг предполагает, что для понимания тайны горизонтального переноса генов нам, возможно, следует думать о них как об экологических следствиях поведения организма, его соседей и окружающей среды. Если горизонтально перенесенный ген дает какие-либо преимущества для выживания, это, вероятно, будет сильно зависеть от конкретного сценария, в котором окажется реципиент гена — ледяное море, горячий источник, аппетитное растение-хозяин с надежной защитой. «Они так привязаны к экологии там, где эта штука, но она меняется», — предположил он. При неправильном сдвиге в среде перенесенный ген «перестает быть полезным и теряется».
Экологические подсказки
Горизонтальный перенос генов у эукариот может происходить постоянно: в пруду на заднем дворе, в почве под ногами, в животных, насекомых и растениях, составляющих экосистему. «Я думаю, что трансферов гораздо больше, чем мы знаем», — сказал Бхаттачарья. «Мы их просто не видим, потому что они сметены».
Чтобы проверить, насколько часто у лягушек бывает змея БовБ, команда Курабаяши обратилась к своим коллегам за образцами лягушек со всего мира для секвенирования ДНК. Они обнаружили, что из 149 видов 50 вернулись с БовБ. 32 малагасийских лягушки, которых они протестировали, составляют менее четверти всех отобранных видов, но 29 из них несут змеиный ген — явное большинство всех переносов, обнаруженных по всему миру. Более того, по крайней мере две линии лягушек не приобрели БовБ пока их предки не мигрировали из Африки на Мадагаскар.
Самое интересное в статье, по словам Грэма, «это то, что она показывает, что скорость передачи неравномерна. Он сильно различается в зависимости от географического региона». Если будут проведены дополнительные исследования с целью изучения переноса генов по всему миру — посмотреть, происходили ли переносы с разной скоростью в разных местах — то, что мы обнаружим, может нас удивить. Возможно, география имеет большее значение, чем мы могли бы ожидать.
Есть ли что-то в окружающей среде Мадагаскара, что делает его горячей точкой для переноса генов? Никто не знает. Курабаяси говорит, что он и его группа очень сильно подозревают, что змея БовБ на Мадагаскаре отличается от версий в других странах мира тем, что немного лучше приживается на новом хозяине.
Но обилие паразитов на острове также может быть одним из факторов. Например, «на Мадагаскаре много пиявок», сказал Мигель Венсес, герпетолог Брауншвейгского технологического университета в Германии и автор новой статьи. «Если вы находитесь в тропическом лесу, вы заметите их». Кровососущие существа питаются многими видами животных, включая лягушек и змей, и они не гнушаются пробовать людей. Венсес и его коллеги предполагают, что пиявки могут приносить лягушкам кровь, содержащую ген прыжка змеи, или, возможно, ген прыжка уже находится в собственном геноме пиявки от предыдущих контактов со змеями. Тогда, возможно, неопознанный вирус сделает все остальное.
К сожалению, доказать или опровергнуть сценарии, описывающие, как могли происходить такие горизонтальные перемещения, непросто. Без отбора для сохранения последовательностей ДНК они склонны мутировать и смешиваться в течение длительного времени, стирая молекулярные доказательства переноса. По словам Грэма, если к переносу причастен вирус, он может оставить очень мало улик. Таким образом, исследователям, возможно, потребуется уловить генетический скачок в действии, чтобы понять, как это происходит.
Бхаттачарья находится на ранних стадиях проекта, направленного именно на это. В горячих источниках Лемонейд-Крик в Йеллоустонском национальном парке он и его коллеги ищут признаки переносов, которые, возможно, все еще находятся в процессе закрепления. Они изучают ДНК красных водорослей, унаследовавших гены от бактерий, которые также живут в источниках, гены, которые имеют лишь небольшие отличия от оригиналов. «Мы не говорим о миллионах лет назад, — сказал Бхаттачарья. «Мы говорим о ДНК, которая очень похожа, которая сосуществует в двух разных сферах жизни в одной и той же среде».
Если ученые обнаружат, что у водорослей в близлежащих источниках отсутствуют какие-либо из этих перенесенных генов, то они могут стать свидетелями начала волны генетических изменений, распространяющихся наружу через водоросли, от одного соседнего источника к другому. Каждый новый горячий бассейн может быть островом на грани трансформации.
