Beskrivning
Uppflugen på ett löv i regnskogen har den lilla gyllene mantellagrodan en hemlighet. Den delar den hemligheten med den gaffeltungade grodan, vassgrodan och otaliga andra grodor i kullarna och skogarna i önationen Madagaskar, såväl som med boorna och andra ormar som jagar dem. På denna ö, vars många djurarter inte förekommer någon annanstans, gjorde genetiker nyligen en överraskande upptäckt: Strö genom grodornas genom finns en gen, BovB, som till synes kom från ormar.
Efter att ha granskat genom från groda- och ormarter runt om i världen, rapporterade forskarna i april ett papper in Molekylärbiologi och evolution att denna gen på något sätt har rest från ormar till grodor minst 50 gånger över hela planeten. Men på Madagaskar har den satt sig in i grodor med häpnadsväckande promiskuitet: 91 % av de grodarter som provtas där har det. Något verkar göra Madagaskar till en exceptionellt gynnsam plats för genen att bli mobil.
När Atsushi Kurabayashi, en docent vid Nagahama Institute of Bio-Science and Technology och seniorförfattaren till den nya uppsatsen, såg först ormversionen av genen i grodor, han blev förbryllad. Han frågade en kollega som är specialiserad på genomik om det, och kollegan ropade omedelbart: "Det måste vara horisontell överföring!" — Överföring av en gen från en art till en annan, i motsats till det vertikala arvet av gener av ett barn från en förälder.
Det utbrottet skickade Kurabayashi på spåren av ett fenomen som en gång ansågs vara ytterst sällsynt, även om ökningen av bättre genomisk sekvensering har fått biologer att omvärdera den åsikten. Och detta nya dokument, som visar att horisontell överföring av gener kan vara mer sannolikt på vissa ställen än andra, komplicerar historien ännu mer. Det tyder på att forskare när de söker förklaringar till horisontella överföringar kan behöva se bortom enkla genetiska mekanismer till de ekologiska sammanhang där arter lever. Genomiker kämpar fortfarande för att förstå hur vanliga eller sällsynta horisontella överföringar är i komplexa organismer, men vissa platser, som Madagaskar, kan vara hot spots för dem.
Beskrivning
När gener vandrar
Horisontell överföring är vanligt förekommande hos bakterier. De myllrande encelliga organismerna som befolkar nästan alla vrår på planeten plockar upp gener från sin miljö lika lätt som en luddborste plockar upp katthår. Det är en anledning till att bakteriell resistens mot antibiotika är utbredd: Skyddsgener skickas lätt runt och naturligt urval säkerställer att de resistenta bakterierna konkurrerar ut sina grannar och för sina gener vidare till nästa generation. Bakterier byter gener så lätt att vissa forskare till och med har föreslagit att bakterier bildas ett nät av relaterat liv snarare än ett förgrenat släktträd.
Cellerna hos eukaryota organismer som människor, grodor och ormar är dock olika. Deras cellkärna verkar vanligtvis som en fästning för att skydda genomet. DNA:t lindas försiktigt ihop och lagras i det citadellets bibliotek, med enzymer som bara kallar fram de gener som de behöver undersöka vid varje given tidpunkt. Cellen är laddad med säkerhetsskåp för att förhindra skador på dess DNA och för att reparera slitage. Om genomet är som ett ovärderligt upplyst manuskript, bär dess bibliotekarier svärd.
Ändå fortsätter exempel på horisontella genöverföringar som involverar eukaryoter sippra in i den vetenskapliga litteraturen. Sill och nors, orelaterade fiskar som simmar i de iskalla vattnen i Arktis, norra Stilla havet och norra Atlanten, har exakt samma gen för ett protein som hindrar deras blod från att frysa; den hoppade sannolikt från sill till smältor. Laurie Graham, en molekylärbiolog vid Queen's University i Kanada, och hennes kollegor rapporterade det förra året; deras resultat var så kontraintuitiva att Graham hade svårt att få verket publicerat.
Likaså evolutionsbiologen Etienne GJ Danchin och hans kollegor vid National Research Institute for Agriculture, Food and Environment i Frankrike studerar en svit av enzymer som nematodmaskar fått från bakterier. Och över 100 genfamiljer verkar ha hoppat från mikrober till växter för länge sedan, skrev Jinling Huang från Eastern Carolina University och kollegor i ett papper detta år.
Det finns vackert tydliga skäl till varför evolutionen log åt några av dessa osannolika överföringar. Fisken med genen fryser inte. Nematodernas matsmältningsenzymer gör att de kan vrida ut mer energi från cellväggarna på de växter de äter. På grund av ett kluster av enzymer som plockats upp från bakterier, har de varma källlevande rödalgerna studerats av evolutionsbiologen Debashish Bhattacharya och hans elev Julia Van Etten vid Rutgers University kan överleva kontakt med ämnen som annars skulle döda dem. Om en gen ökar överlevnaden tar det inte lång tid innan den första organismens ättlingar tar över.
Alla dessa vandrande gener är dock inte nödvändigtvis fördelaktiga. BovB är en välkänd transposon, en rest av genetiskt material som är benägen att hoppa slumpmässigt runt genomet. På ett sätt är dess hopp från ormar till grodor på Madagaskar – hur de än inträffade – bara bisarrt större språng än vanligt. Dessutom, även om transposoner kan ha djupgående effekter på genom, BovB är inte en gen med en funktion i traditionell mening; det är bara lite DNA som gör kopior av sig själv. Kurabayashi konstaterar att även om möjligheten att BovB gynnade grodorna inte kan uteslutas, det är mer troligt att BovB kvarstår genom sin egen aggressiva framgång vid självduplicering. Detta kan hjälpa till att förklara varför det är så att när eukaryoter hamnar i andra organismers genetiska material, transposoner som BovB är ofta inblandade.
Hur konstigt det än kan tyckas för eukaryoter att plocka upp gener från bakterier, än konstigt är det faktum att exempel på horisontell genöverföring i andra riktningen är mycket sällsynta. Av någon anledning vill inte bakterierna ha våra gener. Eukaryota gener har strukturella egenskaper som gör dem mindre än perfekt material för bakterier, men det kan också finnas andra bidragande faktorer.
"Eukaryoter kanske inte har de gener som bakterier är intresserade av," sa Patrick Keeling, en biolog vid University of British Columbia som studerar horisontella överföringar.
Går viral
Till skillnad från bakterier har virus en riktig förmåga att plocka upp gener från sina eukaryota värdar. Virus, särskilt de som kallas retrovirus, har verktygen för att ta sig in i en värds celler och kärnor, och de är mästare på att infoga genetiskt material i värdgenom. Upp till 8 % av det mänskliga arvsmassan består av rester av retrovirus, fragment av infektioner sedan länge i vår arts historia.
Ibland går överföringen åt andra hållet också. I ett papper som publicerades i Natur Mikrobiologi i december förra året, Keeling, hans medarbetare Nicholas Irwin vid University of Oxford och deras kollegor utförde den första omfattande analysen av horisontella genöverföringar mellan 201 eukaryoter och 108,842 6,700 virus. De hittade bevis för mer än XNUMX XNUMX genöverföringar, med värd-till-virusöverföringar ungefär dubbelt så vanliga som virus-till-värdöverföringar. De drog slutsatsen att horisontella genöverföringar hade varit viktiga drivkrafter för evolutionen på båda sidor: Virus använde ofta de eukaryota generna de förvärvade för att bli mer effektiva på att infektera sina värdar, medan eukaryoter ibland använde delar av de virala generna för att skapa nya egenskaper eller för att reglera deras metabolism på nya sätt.
Fynd som dessa har övertygat vissa biologer om att åtminstone vissa horisontella genöverföringar kan underlättas av virus. Om virus kan plocka upp gener från sina värdar, och om de kan lämna efter sig bitar av sina genom, verkar det möjligt att de ibland också skulle kunna färja över gener från den senaste värd som de infekterade, eller till och med en från generationer sedan, och ge dem till en ny värd.
Inblandning av virus kan också hjälpa till att lösa ett annat pussel om horisontella överföringar i eukaryoter. För att överföringarna ska ske måste de resande generna klara en hel serie hinder. Först måste de ta sig från donatorarten till den nya värdarten. Sedan måste de ta sig in i kärnan och förankra sig i värdgenomet. Men att komma in i arvsmassan hos vilken cell som helst fungerar inte: I flercelliga varelser som grodor och sillar kommer en gen inte att överföras till djurets avkomma om den inte kan smyga sig in i en könscell - en spermie eller ett ägg.
Virus kan göra den serien av händelser mer sannolika. I små organismer som nematoden, sa Danchin, är reproduktionskanalen och dess könsceller inte långt från tarmkanalen, där virus som intas på mat kan bosätta sig. Eftersom grodor släpper ut sina ägg och spermier i det öppna vattnet, är dessa celler potentiellt sårbara för virus i miljön som kan glida in gener.
Även med större varelser kan det vara lättare än du tror. Vid denna tidpunkt är det fortfarande en spekulativ idé, men "reproduktionskanalen är full av mikrober och virus," sa Danchin. "Vi vet att vissa virus infekterar specifikt könsceller."
Keeling föreslår att för att förstå mysteriet med horisontell genöverföring kanske vi borde tänka på dem som ekologiska konsekvenser av en organisms beteenden, dess grannar och dess miljö. Om en horisontellt överförd gen ger någon överlevnadsfördel, är det sannolikt mycket beroende av det specifika scenariot där mottagaren av genen befinner sig - ett iskallt hav, en varm källa, en aptitretande värdväxt med tufft försvar. "De är så bundna till ekologin där den saken är, men den förändras," spekulerade han. Med fel förändring i miljön är den överförda genen "inte längre fördelaktig, och den går förlorad."
Ekologiska ledtrådar
Horisontella genöverföringar i eukaryoter kan hända hela tiden: i dammen på din bakgård, i jorden under dina fötter, i djuren, insekterna och växterna som utgör ekosystemet. "Jag tror att det finns mycket mer överföring än vi vet," sa Bhattacharya. "Vi ser dem helt enkelt inte eftersom de svepas ut."
För att kolla hur vanligt det är att grodor har orm BovB, kontaktade Kurabayashis team sina kollegor för prover på grodor från hela världen för DNA-sekvensering. De fann att av 149 arter kom 50 tillbaka med BovB. De 32 madagaskiska grodorna som de testade utgjorde mindre än en fjärdedel av alla arter som provades, men 29 av dem bar på ormgenen - en klar majoritet av alla överföringar som hittats runt om i världen. Dessutom förvärvade inte minst två av grodlinjerna BovB tills efter deras förfäder migrerade från Afrika till Madagaskar.
Det mest intressanta med tidningen, sa Graham, "är att det visar att överföringshastigheten inte är enhetlig. Det varierar mycket mellan geografiska regioner.” Om fler studier inleds med målet att titta på genöverföring runt om i världen - att se om överföringar har skett i olika takt på olika platser - kan det vi hittar överraska oss. Kanske är geografin viktigare än vi kan förvänta oss.
Finns det något med miljön på Madagaskar som gör den till en het plats för genöverföringar? Ingen vet. Kurabayashi säger att han och hans grupp misstänker starkast att ormen BovB på Madagaskar skiljer sig från versioner på andra håll i världen genom att vara lite bättre på att få in en ny värd.
Men överflödet av parasiter på ön kan också vara en bidragande faktor. Till exempel, "på Madagaskar finns det massor av blodiglar," sa Miguel Vences, en herpetolog vid Braunschweigs tekniska högskola i Tyskland och författare till den nya uppsatsen. "Om du är i regnskogen kommer du att märka dem." De blodsugande varelserna livnär sig på många typer av djur, inklusive grodor och ormar, och de är inte högre än att ta prov på människor. Vences och hans kollegor spekulerar i att iglar kan föra in blod som innehåller ormens hoppgen in i grodorna, eller så finns hoppgenen redan i blodiglens eget genom från tidigare kontakter med ormar. Sedan kanske ett oidentifierat virus gör resten.
Tyvärr är det inte lätt att bevisa eller motbevisa scenarier som beskriver hur sådana horisontella överföringar kan ha skett. Utan selektion för att bevara DNA-sekvenser tenderar de att mutera och bli förvrängda under långa tidsperioder, vilket raderar de molekylära bevisen på en överföring. Och om ett virus är inblandat i överföringen kan det lämna väldigt lite bevis i första hand, sa Graham. Forskare kan därför nästan behöva fånga ett genetiskt hopp på bar gärning för att veta hur det går till.
Bhattacharya är i ett tidigt skede av ett projekt som syftar till att göra just det. I de varma källorna vid Lemonade Creek i Yellowstone National Park letar han och hans kollegor efter tecken på överföringar som fortfarande kan vara på väg att få fäste. De studerar DNA från röda alger som har plockat upp gener från bakterier som också lever i källorna, gener som bara har små skillnader från originalen. "Vi pratar inte om miljoner år sedan," sa Bhattacharya. "Vi pratar om DNA som är väldigt likt, som samexisterar i två olika livsområden, i samma miljö."
Om forskarna upptäcker att alger i närliggande källor saknar någon av dessa överförda gener, kan de bevittna början av en krusning av genetisk förändring som rör sig utåt genom algerna, från en närliggande källa till nästa. Varje ny varm pool kan vara en ö på randen av en förvandling.
