ยีนสามารถกระโดดจากงูสู่กบในมาดากัสการ์ได้อย่างไร

กบแมนเทลลาสีทองตัวจิ๋วเกาะอยู่บนใบไม้ในป่าดงดิบ มีความลับซ่อนอยู่ มันแบ่งปันความลับกับกบลิ้นส้อม กบกก และกบอื่นๆ อีกนับไม่ถ้วนบนเนินเขาและป่าไม้ของประเทศเกาะมาดากัสการ์ เช่นเดียวกับงูเหลือมและงูอื่นๆ ที่กินเหยื่อพวกมัน บนเกาะนี้ มีสัตว์หลายชนิดที่ไม่มีที่ไหนเลย นักพันธุศาสตร์ได้ค้นพบสิ่งที่น่าประหลาดใจเมื่อเร็ว ๆ นี้: ยีนที่โปรยผ่านจีโนมของกบคือยีน บที่ดูเหมือนจะมาจากงู

หลังจากสำรวจจีโนมจากกบและงูสายพันธุ์ต่างๆ ทั่วโลก นักวิทยาศาสตร์รายงานในเดือนเมษายนปีค.ศ กระดาษ in อณูชีววิทยาและวิวัฒนาการ ว่ายีนนี้ได้เดินทางจากงูไปยังกบอย่างน้อย 50 ครั้งทั่วโลก แต่ในมาดากัสการ์ กบได้แทรกตัวเข้าไปในกบด้วยความสำส่อนที่น่าตกใจ 91% ของสายพันธุ์กบที่สุ่มตัวอย่างอยู่ที่นั่น ดูเหมือนว่ามีบางอย่างทำให้มาดากัสการ์เป็นสถานที่ที่เอื้ออำนวยเป็นพิเศษสำหรับยีนที่จะเคลื่อนที่

เมื่อ อัตสึชิ คุระบายาชิรองศาสตราจารย์ที่สถาบันวิทยาศาสตร์ชีวภาพและเทคโนโลยีนากาฮามะ และผู้เขียนอาวุโสของบทความฉบับใหม่ ได้เห็นยีนรุ่นงูในกบเป็นครั้งแรก เขารู้สึกงงงวย เขาถามเพื่อนร่วมงานที่เชี่ยวชาญด้านจีโนมิกส์เกี่ยวกับเรื่องนี้ และเพื่อนร่วมงานก็ตะโกนทันทีว่า “มันต้องเป็นการย้ายในแนวนอน!” — การถ่ายทอดยีนจากสปีชีส์หนึ่งไปยังอีกสปีชีส์หนึ่ง ตรงกันข้ามกับการถ่ายทอดยีนในแนวดิ่งโดยเด็กจากพ่อแม่

การระเบิดครั้งนั้นส่งคุราบายาชิไปบนเส้นทางของปรากฏการณ์ที่ครั้งหนึ่งเคยคิดว่ามีน้อยมาก แม้ว่าการจัดลำดับจีโนมที่ดีขึ้นจะทำให้นักชีววิทยาประเมินความคิดเห็นนั้นอีกครั้ง และเอกสารฉบับใหม่นี้ ซึ่งแสดงให้เห็นว่าการถ่ายทอดยีนในแนวราบอาจเป็นไปได้มากกว่าในบางที่ ซึ่งทำให้เรื่องราวซับซ้อนยิ่งขึ้นไปอีก นักวิจัยอาจจำเป็นต้องมองข้ามกลไกทางพันธุกรรมง่ายๆ ไปที่บริบททางนิเวศวิทยาที่สิ่งมีชีวิตอาศัยอยู่ นักจีโนมิกส์ยังคงดิ้นรนเพื่อทำความเข้าใจว่าการแพร่กระจายในแนวนอนที่พบได้บ่อยหรือหายากในสิ่งมีชีวิตที่ซับซ้อนนั้นเป็นอย่างไร แต่สถานที่บางแห่ง เช่น มาดากัสการ์ อาจเป็นจุดร้อนสำหรับพวกมัน

เมื่อยีนพเนจร

การถ่ายโอนในแนวนอนเป็นเรื่องปกติในแบคทีเรีย สิ่งมีชีวิตเซลล์เดียวที่เต็มไปด้วยชีวิตชีวาซึ่งอาศัยอยู่แทบทุกซอกทุกมุมบนโลกใบนี้รับยีนจากสภาพแวดล้อมได้อย่างง่ายดายราวกับแปรงขนแมว นั่นเป็นเหตุผลหนึ่งว่าทำไมการดื้อต่อยาปฏิชีวนะของแบคทีเรียจึงแพร่หลาย: ยีนป้องกันถูกส่งผ่านได้ง่าย และการคัดเลือกโดยธรรมชาติช่วยให้แน่ใจว่าแบคทีเรียที่ดื้อยาจะเอาชนะเพื่อนบ้านและส่งต่อยีนของพวกมันไปยังคนรุ่นต่อไป แบคทีเรียเปลี่ยนยีนได้อย่างง่ายดายจนนักวิทยาศาสตร์บางคนถึงกับเสนอว่าแบคทีเรียก่อตัวขึ้น เว็บที่เกี่ยวข้องกับชีวิต มากกว่าต้นไม้ตระกูลที่แตกแขนง

อย่างไรก็ตาม เซลล์ของสิ่งมีชีวิตยูคาริโอต เช่น มนุษย์ กบ และงู มีความแตกต่างกัน นิวเคลียสของเซลล์ของพวกมันมักจะดูเหมือนป้อมปราการสำหรับปกป้องจีโนม ดีเอ็นเอถูกม้วนขึ้นอย่างระมัดระวังและเก็บไว้ในห้องสมุดของป้อมปราการนั้น โดยเอนไซม์จะเรียกเฉพาะยีนที่พวกเขาต้องการตรวจสอบในเวลาใดก็ตาม เซลล์เต็มไปด้วยระบบป้องกันความผิดพลาดเพื่อป้องกันความเสียหายต่อ DNA และเพื่อซ่อมแซมการสึกหรอ หากจีโนมนั้นเปรียบเสมือนต้นฉบับที่มีแสงสว่างล้ำค่า บรรณารักษ์ก็พกดาบ

อย่างไรก็ตาม ตัวอย่างของการถ่ายโอนยีนในแนวนอนที่เกี่ยวข้องกับยูคาริโอตยังคงหลั่งไหลเข้าสู่วรรณกรรมทางวิทยาศาสตร์ ปลาเฮอริ่งและหลอมเหลว ปลาที่ไม่เกี่ยวข้องกันซึ่งว่ายในน่านน้ำน้ำแข็งของอาร์กติก มหาสมุทรแปซิฟิกตอนเหนือ และมหาสมุทรแอตแลนติกตอนเหนือ ยีนเดียวกันอย่างแม่นยำ สำหรับโปรตีนที่ทำให้เลือดไม่แข็งตัว มันน่าจะกระโดดจากปลาเฮอริ่งไปสู่การหลอมเหลว ลอรี เกรแฮมนักชีววิทยาระดับโมเลกุลที่มหาวิทยาลัยควีนในแคนาดาและเพื่อนร่วมงานรายงานเมื่อปีที่แล้ว การค้นพบของพวกเขาขัดกับสัญชาตญาณมากจนเกรแฮมมีปัญหาในการตีพิมพ์งาน

ในทำนองเดียวกัน นักชีววิทยาวิวัฒนาการ เอเตียน จีเจ ดันชิน และเพื่อนร่วมงานของเขาที่สถาบันวิจัยการเกษตร อาหาร และสิ่งแวดล้อมแห่งชาติในฝรั่งเศสกำลังศึกษาอยู่ ชุดของเอนไซม์ ที่ไส้เดือนฝอยได้มาจากแบคทีเรีย และยีนกว่า 100 ตระกูลดูเหมือนจะก้าวกระโดดจากจุลินทรีย์สู่พืชเมื่อนานมาแล้ว จินหลิง หวง ของมหาวิทยาลัยอีสเทิร์นแคโรไลนาและคณะ ในกระดาษ ในปีนี้

มีเหตุผลที่ชัดเจนอย่างสวยงามว่าทำไมวิวัฒนาการยิ้มให้กับการถ่ายโอนที่ไม่น่าจะเป็นไปได้เหล่านี้ ปลาที่มียีนไม่หยุดนิ่ง เอนไซม์ย่อยอาหารของไส้เดือนฝอยช่วยให้ดึงพลังงานจากผนังเซลล์ของพืชที่กินเข้าไปได้มากขึ้น เนื่องจากกลุ่มของเอ็นไซม์ที่เก็บมาจากแบคทีเรีย สาหร่ายสีแดงที่อาศัยอยู่ในบ่อน้ำพุร้อนจึงทำการศึกษาโดยนักชีววิทยาด้านวิวัฒนาการ เดบาชิศ ภัตตาจารยา และลูกศิษย์ของเขา จูเลีย แวน เอตเตน ที่มหาวิทยาลัยรัตเกอร์สสามารถรอดชีวิตจากการสัมผัสกับสารที่อาจฆ่าพวกมันได้ หากยีนเพิ่มความอยู่รอด ไม่นานก่อนที่ลูกหลานของสิ่งมีชีวิตแรกจะได้รับมันเข้าครอบครอง

อย่างไรก็ตาม ยีนที่เร่ร่อนเหล่านี้ไม่ได้ทั้งหมดจำเป็นต้องสื่อถึงความได้เปรียบ บ เป็น transposon ที่รู้จักกันดี ซึ่งเป็นเศษของสารพันธุกรรมที่มีแนวโน้มที่จะกระโดดไปรอบๆ จีโนมแบบสุ่ม ในทางหนึ่ง การกระโดดจากงูเป็นกบในมาดากัสการ์ ไม่ว่าจะเกิดขึ้นได้อย่างไร เป็นการก้าวกระโดดที่ยิ่งใหญ่กว่าปกติอย่างแปลกประหลาด ยิ่งไปกว่านั้น แม้ว่าทรานสโพซอนจะมี ผลกระทบอย่างลึกซึ้งต่อจีโนม, บ ไม่ใช่ยีนที่มีหน้าที่ในความหมายดั้งเดิม มันเป็นแค่ DNA เล็กน้อยที่สร้างสำเนาของมันเอง คุราบายาชิตั้งข้อสังเกตว่าถึงแม้มีความเป็นไปได้ที่ บ ประโยชน์ที่กบไม่สามารถตัดออกได้ มีแนวโน้มว่า บ ยังคงอยู่ผ่านความสำเร็จเชิงรุกของตัวเองในการทำซ้ำ นี่อาจช่วยอธิบายได้ว่าทำไมเมื่อยูคาริโอตไปรวมกับสารพันธุกรรมของสิ่งมีชีวิตอื่น transposons เช่น บ มักจะมีส่วนร่วม.

แปลกอย่างที่ดูเหมือนว่ายูคาริโอตจะรับยีนจากแบคทีเรีย คนแปลกหน้ายังคงเป็นความจริงที่ว่าตัวอย่างการถ่ายโอนยีนแนวนอนในทิศทางอื่นนั้นหายากกว่ามาก ด้วยเหตุผลบางอย่าง แบคทีเรียไม่ต้องการยีนของเรา ยีนยูคาริโอตมีลักษณะทางโครงสร้างที่ทำให้พวกมันน้อยกว่าวัสดุที่สมบูรณ์แบบสำหรับแบคทีเรีย แต่อาจมีปัจจัยอื่นร่วมด้วย

“บางทียูคาริโอตอาจไม่มียีนที่แบคทีเรียสนใจ” . กล่าว แพทริค คีลิงนักชีววิทยาจากมหาวิทยาลัยบริติชโคลัมเบียที่ศึกษาการถ่ายโอนในแนวนอน

ไป Viral

ต่างจากแบคทีเรีย ไวรัสมีความสามารถพิเศษในการรวบรวมยีนจากโฮสต์ของยูคาริโอต ไวรัส โดยเฉพาะไวรัสที่เรียกว่าเรโทรไวรัส มีเครื่องมือในการเข้าไปในเซลล์และนิวเคลียสของโฮสต์ และพวกมันเป็นผู้เชี่ยวชาญในการแทรกสารพันธุกรรมเข้าไปในจีโนมของโฮสต์ จีโนมมนุษย์มากถึง 8% ประกอบด้วยไวรัสรีโทรไวรัสที่หลงเหลืออยู่ ชิ้นส่วนของการติดเชื้อที่มีมาช้านานในประวัติศาสตร์สายพันธุ์ของเรา

บางครั้งการถ่ายโอนก็ไปทางอื่นเช่นกัน ใน กระดาษ ตีพิมพ์ใน จุลชีววิทยาธรรมชาติ เมื่อเดือนธันวาคมที่ผ่านมา Keeling ผู้ร่วมงานของเขา นิโคลัส เออร์วิน แห่งมหาวิทยาลัยอ็อกซ์ฟอร์ดและคณะได้ทำการวิเคราะห์การถ่ายโอนยีนในแนวนอนอย่างครอบคลุมครั้งแรกระหว่างยูคาริโอต 201 ตัวและไวรัส 108,842 ตัว พวกเขาพบหลักฐานการถ่ายโอนยีนมากกว่า 6,700 ยีน โดยมีการถ่ายโอนระหว่างโฮสต์กับไวรัสประมาณสองเท่าของการถ่ายโอนไวรัสไปยังโฮสต์ พวกเขาสรุปว่าการถ่ายโอนยีนในแนวนอนเป็นตัวขับเคลื่อนหลักของวิวัฒนาการทั้งสองด้าน: ไวรัสมักใช้ยีนยูคาริโอตที่พวกเขาได้รับเพื่อให้มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการติดเชื้อโฮสต์ของพวกมัน ในขณะที่ยูคาริโอตบางครั้งใช้องค์ประกอบของยีนไวรัสเพื่อสร้างลักษณะใหม่หรือเพื่อควบคุม เมแทบอลิซึมในรูปแบบใหม่

การค้นพบเช่นนี้ได้ชักชวนนักชีววิทยาบางคนว่าอย่างน้อยการถ่ายโอนยีนในแนวนอนอาจได้รับการอำนวยความสะดวกโดยไวรัส หากไวรัสสามารถรับยีนจากโฮสต์ของมันได้ และหากพวกมันสามารถทิ้งชิ้นส่วนของจีโนมไว้ได้ ดูเหมือนว่าบางครั้งพวกมันอาจถ่ายทอดยีนจากโฮสต์สุดท้ายที่พวกมันติดเชื้อ หรือแม้แต่ยีนจากรุ่นก่อนๆ โฮสต์ใหม่

การมีส่วนร่วมของไวรัสสามารถช่วยไขปริศนาอื่นเกี่ยวกับการถ่ายโอนในแนวนอนในยูคาริโอต เพื่อให้การถ่ายโอนเกิดขึ้น ยีนที่เดินทางจำเป็นต้องขจัดอุปสรรคทั้งชุด ก่อนอื่นพวกเขาต้องได้รับจากสายพันธุ์ผู้บริจาคไปยังสายพันธุ์ใหม่ จากนั้นพวกเขาจะต้องเข้าไปในนิวเคลียสและรวมตัวเองไว้ในจีโนมของโฮสต์ แต่การเข้าไปในจีโนมของเซลล์ใด ๆ ก็ไม่สามารถทำได้: ในสิ่งมีชีวิตหลายเซลล์เช่นกบและปลาเฮอริ่ง ยีนจะไม่ถูกส่งผ่านไปยังลูกหลานของสัตว์เว้นแต่จะสามารถแอบเข้าไปในเซลล์สืบพันธุ์ - สเปิร์มหรือไข่

ไวรัสอาจทำให้ชุดของเหตุการณ์นั้นมีโอกาสมากขึ้น ในสิ่งมีชีวิตขนาดเล็กเช่นไส้เดือนฝอย Danchin กล่าวว่าระบบสืบพันธุ์และเซลล์สืบพันธุ์อยู่ไม่ไกลจากลำไส้ซึ่งไวรัสที่กินเข้าไปในอาหารสามารถจับตัวได้ เนื่องจากกบปล่อยไข่และสเปิร์มออกสู่แหล่งน้ำเปิด เซลล์เหล่านั้นจึงมีโอกาสเสี่ยงต่อไวรัสในสิ่งแวดล้อมที่อาจหลุดเข้าไปในยีนได้

แม้แต่กับสิ่งมีชีวิตขนาดใหญ่ มันอาจจะง่ายกว่าที่คุณคิด ณ จุดนี้ ยังคงเป็นแนวคิดเก็งกำไร แต่ “ระบบสืบพันธุ์เต็มไปด้วยจุลินทรีย์และไวรัส” Danchin กล่าว “เราทราบดีว่าไวรัสบางชนิดติดเชื้อในเซลล์สืบพันธุ์โดยเฉพาะ”

คีลิงแนะนำว่าเพื่อให้เข้าใจความลึกลับของการถ่ายโอนยีนในแนวนอน บางทีเราควรคิดว่าสิ่งเหล่านี้เป็นผลที่ตามมาทางนิเวศวิทยาจากพฤติกรรมของสิ่งมีชีวิต เพื่อนบ้าน และสิ่งแวดล้อมของสิ่งมีชีวิต หากยีนที่ถ่ายโอนในแนวนอนให้ประโยชน์ในการเอาชีวิตรอด มีความเป็นไปได้สูงที่จะเกิดขึ้นในสถานการณ์เฉพาะที่ผู้รับยีนพบว่าตัวเอง — ทะเลน้ำแข็ง น้ำพุร้อน พืชเจ้าบ้านที่น่ารับประทานพร้อมการป้องกันที่แข็งแกร่ง “พวกมันผูกติดอยู่กับระบบนิเวศน์ของสิ่งนั้นมาก แต่มันเปลี่ยนไป” เขาคาดเดา ด้วยการเปลี่ยนแปลงที่ไม่ถูกต้องในสภาพแวดล้อม ยีนที่ถ่ายโอน "ไม่มีประโยชน์อีกต่อไปและสูญเสียไป"

เบาะแสเชิงนิเวศน์

การถ่ายโอนยีนแนวนอนในยูคาริโอตอาจเกิดขึ้นตลอดเวลา: ในสระน้ำในสวนหลังบ้าน ในดินใต้ฝ่าเท้า ในสัตว์ แมลง และพืชที่รวมกันเป็นระบบนิเวศ “ฉันคิดว่ามีการถ่ายโอนมากกว่าที่เรารู้” Bhattacharya กล่าว “เราไม่เห็นพวกเขาเพราะพวกเขาถูกกวาดออกไป”

ตรวจดูว่ากบมีงูบ่อยแค่ไหน บทีมของคุราบายาชิติดต่อเพื่อนร่วมงานเพื่อขอตัวอย่างกบจากทั่วโลกเพื่อทำการจัดลำดับดีเอ็นเอ พวกเขาพบว่าจาก 149 สายพันธุ์ 50 กลับมาพร้อมกับ บ. กบมาลากาซี 32 ตัวที่พวกมันทำการทดสอบนั้นคิดเป็นน้อยกว่าหนึ่งในสี่ของสายพันธุ์ทั้งหมดที่เก็บตัวอย่าง แต่พวกมัน 29 ตัวมียีนของงู ซึ่งส่วนใหญ่พบได้ชัดเจนจากการถ่ายโอนทั้งหมดทั่วโลก ยิ่งกว่านั้น กบวงศ์วานอย่างน้อย XNUMX ตัวไม่ได้รับ บ จนกระทั่งหลังจากที่บรรพบุรุษของพวกเขาอพยพจากแอฟริกาไปยังมาดากัสการ์

สิ่งที่น่าสนใจที่สุดเกี่ยวกับรายงานฉบับนี้ เกรแฮมกล่าวว่า “มันแสดงให้เห็นว่าอัตราการโอนไม่เท่ากัน มันแตกต่างกันอย่างมากในแต่ละภูมิภาค” หากมีการศึกษาเพิ่มเติมโดยมีเป้าหมายในการดูการถ่ายโอนยีนทั่วโลก โดยดูว่าการถ่ายโอนเกิดขึ้นในอัตราที่ต่างกันในสถานที่ต่างๆ หรือไม่ สิ่งที่เราพบอาจทำให้เราประหลาดใจ บางทีภูมิศาสตร์อาจมีความสำคัญมากกว่าที่เราคาดไว้

มีบางอย่างเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมของมาดากัสการ์ที่ทำให้เป็นจุดร้อนสำหรับการถ่ายโอนยีนหรือไม่? ไม่มีใครรู้ว่า. คุราบายาชิบอกว่าเขาและกลุ่มของเขาสงสัยอย่างแรงกล้าว่างู บ ในมาดากัสการ์แตกต่างจากเวอร์ชันอื่น ๆ ในโลกเพียงเล็กน้อยในการรับตัวเองเป็นโฮสต์ใหม่

แต่ความอุดมสมบูรณ์ของปรสิตบนเกาะก็อาจเป็นปัจจัยสนับสนุนเช่นกัน ตัวอย่างเช่น “ในมาดากัสการ์มีปลิงจำนวนมาก” กล่าว มิเกล วองซ์นักสัตววิทยาที่มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีบรันชไวก์ในเยอรมนีและเป็นผู้เขียนบทความฉบับใหม่ “ถ้าคุณอยู่ในป่าฝน คุณจะสังเกตเห็นมัน” สิ่งมีชีวิตที่ดูดเลือดกินสัตว์หลายชนิด รวมทั้งกบและงู และพวกมันไม่ได้อยู่เหนือมนุษย์ที่สุ่มตัวอย่าง เวนเซสและเพื่อนร่วมงานคาดการณ์ว่าปลิงอาจนำเลือดที่มียีนกระโดดของงูเข้าไปในกบ หรือบางทียีนการกระโดดอาจอยู่ในจีโนมของปลิงเองจากการสัมผัสกับงูครั้งก่อน บางทีไวรัสที่ไม่ปรากฏชื่ออาจทำส่วนที่เหลือ

น่าเสียดาย มันไม่ง่ายเลยที่จะพิสูจน์หรือหักล้างสถานการณ์ที่อธิบายว่าการถ่ายโอนในแนวนอนนั้นอาจเกิดขึ้นได้อย่างไร หากไม่มีการคัดเลือกเพื่อรักษาลำดับดีเอ็นเอ พวกมันมักจะกลายพันธุ์และถูกรบกวนเป็นเวลานาน ลบหลักฐานระดับโมเลกุลของการถ่ายโอน และหากมีไวรัสเข้ามาเกี่ยวข้องในการถ่ายโอน มันอาจจะทิ้งหลักฐานไว้น้อยมากในตอนแรก เกรแฮมกล่าว นักวิจัยจึงอาจจำเป็นต้องจับกระโดดข้ามยีนในการกระทำเพื่อให้รู้ว่ามันเกิดขึ้นได้อย่างไร

Bhattacharya อยู่ในระยะเริ่มต้นของโครงการที่มุ่งจะทำอย่างนั้น ในบ่อน้ำพุร้อนที่ Lemonade Creek ในอุทยานแห่งชาติเยลโลว์สโตน เขาและเพื่อนร่วมงานกำลังมองหาสัญญาณการย้ายตัวที่อาจยังอยู่ในระหว่างการดำเนินการ พวกเขากำลังศึกษา DNA ของสาหร่ายสีแดงที่เก็บยีนจากแบคทีเรียที่อาศัยอยู่ในน้ำพุด้วย ซึ่งเป็นยีนที่มีความแตกต่างเพียงเล็กน้อยจากต้นกำเนิด “เราไม่ได้พูดถึงเมื่อหลายล้านปีก่อน” Bhattacharya กล่าว “เรากำลังพูดถึง DNA ที่มีความคล้ายคลึงกันอย่างมาก ซึ่งอยู่ร่วมกันในสองโดเมนที่แตกต่างกันของชีวิต ในสภาพแวดล้อมเดียวกัน”

หากนักวิทยาศาสตร์พบว่าสาหร่ายในแหล่งน้ำใกล้เคียงไม่มียีนที่ถ่ายโอนเหล่านี้ พวกเขาอาจเห็นจุดเริ่มต้นของการเปลี่ยนแปลงทางพันธุกรรมที่เคลื่อนตัวออกไปด้านนอกผ่านสาหร่าย จากสปริงข้างเคียงไปยังอีกแห่งถัดไป สระน้ำร้อนแห่งใหม่แต่ละแห่งอาจเป็นเกาะที่ใกล้จะเกิดการเปลี่ยนแปลง