Giriş
Yağmur ormanlarında bir yaprağın üzerine tüneyen minik altın mantella kurbağası bir sır saklıyor. Bu sırrı, Madagaskar ada ülkesinin tepelerinde ve ormanlarında bulunan çatal dilli kurbağa, kamış kurbağası ve sayısız diğer kurbağaların yanı sıra onları avlayan boalar ve diğer yılanlarla paylaşır. Hayvan türlerinin çoğu başka hiçbir yerde bulunmayan bu adada, genetikçiler kısa süre önce şaşırtıcı bir keşifte bulundular: Kurbağaların genomlarına serpiştirilmiş bir gen, BovB, görünüşe göre yılanlardan geldi.
Bilim adamları, dünyanın dört bir yanındaki kurbağa ve yılan türlerinin genomlarını inceledikten sonra, Nisan ayında bildirdiler. Kağıt in Moleküler Biyoloji ve Evrim bu gen bir şekilde tüm gezegende yılanlardan kurbağalara en az 50 kez seyahat etmiştir. Ancak Madagaskar'da şaşırtıcı bir şekilde kendini kurbağaların arasına soktu: Orada örneklenen kurbağa türlerinin %91'inde buna sahip. Bir şey, Madagaskar'ı genin hareket etmesi için son derece elverişli bir yer yapıyor gibi görünüyor.
Ne zaman Atsushi KurabayashiNagahama Biyo-Bilim ve Teknoloji Enstitüsü'nde doçent ve yeni makalenin kıdemli yazarı olan , kurbağalarda genin yılan versiyonunu ilk kez gördü, kafası karıştı. Genomik konusunda uzmanlaşmış bir meslektaşına bunu sordu ve meslektaşı hemen bağırdı, "Yatay transfer olmalı!" - bir ebeveynden bir çocuk tarafından genlerin dikey mirasının aksine, bir genin bir türden diğerine aktarılması.
Bu patlama Kurabayashi'yi bir zamanlar son derece nadir olduğu düşünülen bir olgunun izine gönderdi, ancak daha iyi genomik dizilemenin yükselişi biyologların bu görüşü yeniden değerlendirmesini sağladı. Ve genlerin yatay transferinin bazı yerlerde diğerlerinden daha olası olabileceğini gösteren bu yeni makale, hikayeyi daha da karmaşıklaştırıyor. Yatay geçişler için açıklamalar ararken, araştırmacıların basit genetik mekanizmaların ötesine, türlerin yaşadığı ekolojik bağlamlara bakmaları gerekebileceğini öne sürüyor. Genomistler, karmaşık organizmalarda yatay transferlerin ne kadar yaygın veya nadir olduğunu anlamak için hala mücadele ediyorlar, ancak Madagaskar gibi bazı yerler onlar için sıcak noktalar olabilir.
Giriş
Genler Dolaştığında
Bakterilerde yatay transfer yaygındır. Gezegendeki hemen hemen her kıçta yaşayan tek hücreli canlılar, çevrelerinden genleri bir tüy fırçasının kedi tüyünü alması kadar kolay bir şekilde alırlar. Antibiyotiklere karşı bakteriyel direncin yaygın olmasının bir nedeni de budur: Koruyucu genler kolayca aktarılır ve doğal seleksiyon, dirençli bakterilerin komşularını geride bırakmasını ve genlerini bir sonraki nesle aktarmasını sağlar. Bakteriler genleri o kadar kolay değiştirir ki, bazı bilim adamları bakterilerin oluştuğunu bile öne sürmüşlerdir. ilgili yaşam ağı dallanan bir aile ağacından ziyade.
Ancak insan, kurbağa ve yılan gibi ökaryotik organizmaların hücreleri farklıdır. Hücre çekirdekleri genellikle genomu korumak için bir kale gibi görünür. DNA dikkatle sarılır ve o kalenin kütüphanesinde saklanır, enzimler sadece herhangi bir zamanda incelemeleri gereken genleri çağırır. Hücre, DNA'sının zarar görmesini önlemek ve aşınma ve yıpranmayı onarmak için arıza emniyetleri ile yüklenmiştir. Genom paha biçilmez ışıklı bir el yazması gibiyse, kütüphanecileri kılıç taşır.
Bununla birlikte, ökaryotları içeren yatay gen transferlerinin örnekleri bilimsel literatüre damlamaya devam ediyor. Arktik, kuzey Pasifik ve kuzey Atlantik okyanuslarının buzlu sularında yüzen alakasız balıklar olan ringa balığı ve kokusu, kesinlikle aynı gen kanlarının donmasını engelleyen bir protein için; muhtemelen ringa balığından kokuya sıçramıştır. Laurie GrahamKanada'daki Queen's Üniversitesi'nden bir moleküler biyolog ve meslektaşları bunu geçen yıl bildirdiler; bulguları o kadar mantıksızdı ki Graham çalışmayı yayınlamakta zorluk çekti.
Benzer şekilde, evrimsel biyolog Etienne GJ Danchin ve Fransa'daki Ulusal Tarım, Gıda ve Çevre Araştırma Enstitüsü'ndeki meslektaşları bir takım enzimler nematod solucanlarının bakterilerden aldığı. Ve 100'den fazla gen ailesinin uzun zaman önce mikroplardan bitkilere sıçramış gibi göründüğünü yazdı. Jinling Huang Doğu Carolina Üniversitesi ve meslektaşlarından gazetede bu yıl.
Evrimin bu olası olmayan transferlerin bazılarına gülümsemesinin güzel açık nedenleri var. Geni olan balıklar donmaz. Nematodların sindirim enzimleri, yedikleri bitkilerin hücre duvarlarından daha fazla enerji çekmelerini sağlar. Bakterilerden toplanan bir dizi enzim nedeniyle, evrimsel biyolog tarafından incelenen kaplıcalarda yaşayan kırmızı algler Debaşiş Bhattacharya ve öğrencisi Julia Van Etten Rutgers Üniversitesi'nde, aksi takdirde onları öldürecek maddelerle temasta hayatta kalabilirler. Bir gen hayatta kalmayı artırırsa, ilk organizmanın soyundan gelenlerin onu ele geçirmesi uzun sürmez.
Bununla birlikte, bu gezici genlerin tümü mutlaka bir avantaj sağlamaz. BovB iyi bilinen bir transpozondur, genomun etrafında rastgele atlamaya eğilimli bir genetik materyal hurdasıdır. Bir bakıma, Madagaskar'da yılanlardan kurbağalara sıçraması - her nasıl olursa olsun - normalden çok daha büyük sıçramalardır. Ayrıca, transpozonların sahip olabileceği genomlar üzerinde derin etkiler, BovB geleneksel anlamda işlevi olan bir gen değildir; sadece kendisinin kopyalarını yapan bir DNA parçasıdır. Kurabayashi, bu olasılığın BovB kurbağaların yararlandığı göz ardı edilemez, daha olasıdır BovB kendini kopyalamada kendi saldırgan başarısıyla varlığını sürdürür. Bu, ökaryotların diğer organizmaların genetik materyali ile sonuçlanmasının neden böyle olduğunu açıklamaya yardımcı olabilir. transpozonlar gibi BovB sıklıkla dahil olurlar.
Ökaryotların bakterilerden gen toplaması ne kadar garip görünse de, diğer yöndeki yatay gen aktarımı örneklerinin çok daha nadir olması daha da tuhaftır. Nedense bakteriler genlerimizi istemiyor. Ökaryotik genler, onları bakteriler için mükemmel malzemeden daha az yapan yapısal özelliklere sahiptir, ancak başka katkıda bulunan faktörler de olabilir.
"Belki ökaryotlarda bakterilerin ilgilendiği genler yoktur" dedi. Patrick Keeling, British Columbia Üniversitesi'nde yatay transferler üzerine çalışan bir biyolog.
Viral gidiyor
Bakterilerin aksine, virüslerin ökaryotik konakçılarından genleri alma konusunda gerçek bir hünerleri vardır. Virüsler, özellikle retrovirüsler olarak adlandırılanlar, bir konağın hücrelerine ve çekirdeğine girmek için araçlara sahiptir ve genetik materyali konak genomlarına yerleştirmede ustadırlar. İnsan genomunun %8'e kadarı, türümüzün tarihinde uzun zaman önceki enfeksiyonların parçaları olan retrovirüslerin artıklarından oluşur.
Bazen transfer de ters gidiyor. İçinde Kağıt yayınlanan Doğa Mikrobiyoloji geçen Aralık, Keeling, işbirlikçisi Nicholas Irwin Oxford Üniversitesi'nden ve meslektaşları, 201 ökaryot ve 108,842 virüs arasındaki yatay gen transferlerinin ilk kapsamlı analizini gerçekleştirdi. Konaktan virüse transferler, virüsten konakçıya transferlerden yaklaşık iki kat daha yaygın olan 6,700'den fazla gen transferine dair kanıt buldular. Yatay gen transferlerinin her iki tarafta da evrimin başlıca itici güçleri olduğu sonucuna vardılar: Virüsler genellikle edindikleri ökaryotik genleri konakçılarını enfekte etmede daha etkili hale getirmek için kullanırken, ökaryotlar bazen viral genlerin unsurlarını yeni özellikler yaratmak ya da onların özelliklerini düzenlemek için kullandılar. yeni yollarla metabolizma.
Bunun gibi bulgular, bazı biyologları en azından bazı yatay gen transferlerinin virüsler tarafından kolaylaştırılabileceğine ikna etti. Virüsler konaklarından gen alabiliyorlarsa ve arkalarında genomlarının parçalarını bırakabiliyorlarsa, bazen enfekte oldukları son konakçıdan, hatta nesiller öncesinden bir genden de genler alıp onlara aktarmaları mümkün görünüyor. yeni bir ev sahibi.
Virüslerin katılımı, ökaryotlardaki yatay transferlerle ilgili başka bir bulmacanın çözülmesine de yardımcı olabilir. Aktarımların gerçekleşmesi için seyahat eden genlerin bir dizi engeli aşması gerekir. İlk önce donör türlerden yeni konak türlere geçmeleri gerekir. Sonra çekirdeğe girmeli ve kendilerini konak genomuna yerleştirmeliler. Ancak herhangi bir hücrenin genomuna girmek işe yaramaz: Kurbağalar ve ringa balığı gibi çok hücreli canlılarda, bir gen, sperm veya yumurta gibi bir germ hattı hücresine gizlice girmedikçe hayvanın yavrularına geçmez.
Virüsler bu olaylar dizisini daha olası hale getirebilir. Danchin, nematod gibi küçük organizmalarda üreme sisteminin ve onun üreme hücrelerinin, yiyeceklerle alınan virüslerin yerleşebileceği bağırsak yolundan çok uzakta olmadığını söyledi. Kurbağalar yumurtalarını ve spermlerini açık suya saldıkları için, bu hücreler çevredeki genlerde kayabilecek virüslere karşı potansiyel olarak savunmasızdır.
Daha büyük yaratıklarla bile, düşündüğünüzden daha kolay olabilir. Bu noktada hala spekülatif bir fikir, ancak “üreme yolu mikrop ve virüslerle dolu” dedi Danchin. "Bazı virüslerin özellikle germ hücrelerini enfekte ettiğini biliyoruz."
Keeling, yatay gen transferinin gizemini anlamak için belki de onları bir organizmanın davranışlarının, komşularının ve çevresinin ekolojik sonuçları olarak düşünmemiz gerektiğini öne sürüyor. Yatay olarak aktarılan bir gen herhangi bir hayatta kalma avantajı sağlıyorsa, genin alıcısının kendini bulduğu belirli senaryoya - buzlu bir deniz, bir kaplıca, zorlu savunmalara sahip iştah açıcı bir ev sahibi bitki - bağlı olması muhtemeldir. “Bu şeyin bulunduğu ekolojiye çok bağlılar, ama değişiyor” diye spekülasyon yaptı. Ortamdaki yanlış kayma ile aktarılan gen “artık avantajlı değildir ve kaybolur”.
Ekolojik İpuçları
Ökaryotlarda yatay gen transferleri her zaman olabilir: arka bahçenizdeki havuzda, ayaklarınızın altındaki toprakta, ekosistemi oluşturan hayvanlarda, böceklerde ve bitkilerde. Bhattacharya, "Sanırım bildiğimizden çok daha fazla transfer var" dedi. “Onları görmüyoruz çünkü süpürüldüler.”
Kurbağaların yılana sahip olmasının ne kadar yaygın olduğunu kontrol etmek için BovBKurabayashi'nin ekibi, DNA dizilimi için dünyanın dört bir yanından kurbağa örnekleri için meslektaşlarına ulaştı. 149 türden 50'sinin geri geldiğini buldular. BovB. Test ettikleri 32 Madagaskar kurbağası, örneklenen tüm türlerin dörtte birinden azını oluşturuyordu, ancak 29'u yılan genini taşıyordu - dünya çapında bulunan tüm transferlerin açık bir çoğunluğu. Ayrıca, kurbağa soylarından en az ikisi BovB ataları Afrika'dan Madagaskar'a göçene kadar.
Graham, makaleyle ilgili en ilginç şey, “aktarım hızının tekdüze olmadığını göstermesi. Coğrafi bölgeler arasında büyük farklılıklar gösteriyor.” Daha fazla çalışma, dünya çapında gen transferine bakma hedefiyle yola çıkarsa - transferlerin farklı yerlerde farklı oranlarda olup olmadığını görmek - bulduğumuz şey bizi şaşırtabilir. Belki de coğrafya beklediğimizden daha önemli.
Madagaskar'ın çevresiyle ilgili, onu gen transferleri için sıcak nokta yapan bir şey var mı? Kimse bilmiyor. Kurabayashi, kendisinin ve grubunun yılandan en çok şüphelendiğini söylüyor. BovB Madagaskar'da, dünyanın başka yerlerindeki sürümlerden, kendisini yeni bir ana bilgisayara almada biraz daha iyi olmasıyla farklıdır.
Ancak adadaki parazitlerin bolluğu da katkıda bulunan bir faktör olabilir. Örneğin, “Madagaskar'da çok sayıda sülük var” dedi. miguel vencesAlmanya'daki Braunschweig Teknoloji Üniversitesi'nde bir herpetolog ve yeni makalenin yazarı. "Yağmur ormanlarındaysanız, onları fark edeceksiniz." Kan emici yaratıklar, kurbağalar ve yılanlar da dahil olmak üzere birçok hayvan türüyle beslenirler ve insanları örneklemenin ötesinde değildirler. Vences ve meslektaşları, sülüklerin yılanın zıplayan genini içeren kanı kurbağalara getirebileceğini veya belki de zıplayan genin, yılanlarla daha önceki temaslardan sülüğün kendi genomunda zaten bulunduğunu tahmin ediyor. O zaman belki tanımlanamayan bir virüs gerisini halleder.
Ne yazık ki, bu tür yatay aktarımların nasıl gerçekleştiğini açıklayan senaryoları kanıtlamak veya çürütmek kolay değil. DNA dizilerini korumak için seçim olmadan, mutasyona uğramaya ve uzun zaman dilimlerinde karıştırılmaya ve bir aktarımın moleküler kanıtlarını silmeye eğilimlidirler. Graham, transferde bir virüs varsa, ilk etapta çok az kanıt bırakabileceğini söyledi. Bu nedenle, araştırmacıların, bunun nasıl olduğunu bilmek için neredeyse bir genetik sıçrama yakalaması gerekebilir.
Bhattacharya, tam da bunu yapmayı amaçlayan bir projenin ilk aşamalarında. Yellowstone Ulusal Parkı'ndaki Lemonade Creek'teki kaplıcalarda, o ve meslektaşları, hala bekleme sürecinde olabilecek transferlerin belirtilerini arıyorlar. Kaynaklarda yaşayan bakterilerden gen toplayan kırmızı alglerin DNA'sını inceliyorlar, genler orijinallerinden sadece küçük farklılıklar taşıyor. Bhattacharya, “Milyonlarca yıl öncesinden bahsetmiyoruz” dedi. “Aynı ortamda, yaşamın iki farklı alanında bir arada var olan, oldukça benzer DNA'dan bahsediyoruz.”
Bilim adamları, yakınlardaki kaynaklardaki alglerin bu aktarılan genlerden herhangi birinin bulunmadığını tespit ederse, o zaman bir komşu kaynaktan diğerine algler boyunca hareket eden bir genetik değişim dalgasının başlangıcına tanık olabilirler. Her yeni sıcak havuz, bir dönüşümün eşiğinde bir ada olabilir.
