Вступ
Маленька золотиста жаба мантелла, що сидить на листку в тропічному лісі, приховує таємницю. Вона ділиться цією таємницею з вилоязикою жабою, очеретяною жабою та безліччю інших жаб у пагорбах і лісах острівної держави Мадагаскар, а також з удавами та іншими зміями, які на них полюють. На цьому острові, багато видів тварин якого більше ніде не зустрічаються, генетики нещодавно зробили дивовижне відкриття: у геномах жаб розсіяний ген, BovB, що нібито походить від змій.
Дослідивши геноми жаб і змій по всьому світу, вчені повідомили в квітні папір in Молекулярна біологія та еволюція що цей ген якимось чином подорожував від змій до жаб принаймні 50 разів по всій планеті. Але на Мадагаскарі він проник у жаб із вражаючою безладністю: у 91% відібраних там видів жаб він є. Щось, здається, робить Мадагаскар винятково сприятливим місцем для того, щоб ген став мобільним.
Коли Ацуші Курабаяші, доцент Інституту біонауки та технології Нагахама та старший автор нової статті, вперше побачив зміїну версію гена у жаб, він був спантеличений. Він запитав про це свого колегу, який спеціалізується на геноміці, і колега негайно вигукнув: «Це має бути горизонтальний перенос!» — перенесення гена від одного виду до іншого на відміну від вертикального успадкування генів дитиною від батька.
Цей спалах навів Курабаяші на слід явища, яке колись вважалося надзвичайно рідкісним, хоча зростання кращого геномного секвенування змусило біологів переглянути цю думку. І цей новий документ, який показує, що горизонтальне перенесення генів може бути більш вірогідним в деяких місцях, ніж в інших, ще більше ускладнює історію. Це свідчить про те, що, шукаючи пояснення горизонтальних переносів, дослідникам, можливо, доведеться дивитися не тільки на прості генетичні механізми, а й на екологічні контексти, в яких живуть види. Геноміки все ще намагаються зрозуміти, наскільки поширені або рідкісні горизонтальні переміщення в складних організмах, але деякі місця, як-от Мадагаскар, можуть бути гарячими точками для них.
Вступ
Коли гени блукають
Горизонтальний перенос є звичним явищем для бактерій. Велика кількість одноклітинних організмів, які населяють майже кожну щілину на планеті, збирають гени з навколишнього середовища так само легко, як ворсинкова щітка збирає котячу шерсть. Це одна з причин широкого поширення стійкості бактерій до антибіотиків: захисні гени легко передаються, а природний відбір гарантує, що стійкі бактерії випереджають своїх сусідів і передають свої гени наступному поколінню. Бактерії так легко обмінюються генами, що деякі вчені навіть припускають, що утворюються бактерії мережа спорідненого життя а не розгалужене сімейне дерево.
Однак клітини еукаріотичних організмів, таких як люди, жаби та змії, відрізняються. Їх клітинне ядро зазвичай здається фортецею для захисту геному. ДНК ретельно згортається та зберігається в бібліотеці цитаделі, де ферменти викликають лише ті гени, які їм потрібно досліджувати в будь-який момент часу. Клітина завантажена захистом від збоїв, щоб запобігти пошкодженню її ДНК і відновити знос. Якщо геном схожий на безцінний освітлений рукопис, його бібліотекарі носять мечі.
Тим не менш, приклади горизонтального переносу генів за участю еукаріотів продовжують потрапляти в наукову літературу. Оселедці та корюшки, неспоріднені риби, які плавають у крижаних водах Арктики, північної частини Тихого та північної частини Атлантичного океанів, мають точно той самий ген за протеїн, який утримує їхню кров від замерзання; він, ймовірно, перестрибнув з оселедців на корюшки. Лорі Грем, молекулярний біолог з Університету Квінс у Канаді, та її колеги повідомили про це минулого року; їхні висновки були настільки суперечливими, що Ґрему було важко опублікувати роботу.
Подібним чином біолог-еволюціоніст Етьєн Г. Ж. Данчин та його колеги з Національного науково-дослідного інституту сільського господарства, продовольства та навколишнього середовища у Франції вивчають набір ферментів які нематоди отримали від бактерій. І, здається, понад 100 сімейств генів давно перейшли від мікробів до рослин Цзіньлін Хуан Університету Східної Кароліни та його колеги у папері в цьому році.
Існують цілком зрозумілі причини, чому еволюція посміхнулася деяким із цих неймовірних трансферів. Риба з геном не замерзає. Травні ферменти нематод дозволяють їм витягувати більше енергії з клітинних стінок рослин, які вони їдять. Завдяки групі ферментів, отриманих від бактерій, червоні водорості, які живуть у гарячих джерелах, досліджував еволюційний біолог Дебашиш Бхаттачарья і його учень Джулія Ван Еттен в Університеті Ратгерса можуть вижити при контакті з речовинами, які інакше вбили б їх. Якщо ген сприяє виживанню, не займе багато часу, перш ніж нащадки першого організму, який отримав його, візьмуть верх.
Однак не всі ці блукаючі гени обов’язково мають перевагу. BovB є добре відомим транспозоном, уривком генетичного матеріалу, схильного до випадкового стрибання в геномі. У певному сенсі його стрибки зі змій на жаб на Мадагаскарі — як би вони не відбувалися — просто химерно більші стрибки, ніж зазвичай. Більш того, хоча транспозони можуть мати глибокий вплив на геноми, BovB не є геном із функцією в традиційному розумінні; це лише частинка ДНК, яка сама себе копіює. Курабаяші зазначає, що хоча можливість того BovB користь жаб не можна виключати, більш імовірно, що BovB зберігається через власний агресивний успіх у самоподвоєнні. Це може допомогти пояснити, чому коли еукаріоти закінчуються з генетичним матеріалом інших організмів, транспозони, як BovB часто беруть участь.
Яким би дивним не здавалося еукаріотам отримувати гени від бактерій, все ж дивним є той факт, що приклади горизонтального переносу генів у зворотному напрямку набагато рідші. Чомусь бактеріям не потрібні наші гени. Еукаріотичні гени мають структурні особливості, які роблять їх не ідеальним матеріалом для бактерій, але також можуть бути й інші фактори.
«Можливо, еукаріоти не мають генів, які цікавлять бактерії», — сказав Патрік Кілінг, біолог з Університету Британської Колумбії, який вивчає горизонтальні переноси.
Перехідний вірус
На відміну від бактерій, віруси мають справжню здатність підбирати гени від своїх еукаріотичних господарів. Віруси, особливо ті, які називаються ретровірусами, мають інструменти для проникнення в клітини та ядра господаря, і вони є майстрами вставки генетичного матеріалу в геном господаря. До 8% геному людини складається із залишків ретровірусів, фрагментів давніх інфекцій в історії нашого виду.
Іноді передача йде і в інший бік. в папір опубліковані в Природа Мікробіологія минулого грудня, Кілінг, його співробітник Ніколас Ірвін з Оксфордського університету та їхні колеги провели перший комплексний аналіз горизонтального переносу генів між 201 еукаріотами та 108,842 6,700 вірусами. Вони знайшли докази більш ніж XNUMX передач генів, причому передача від хазяїна до вірусу приблизно вдвічі більш поширена, ніж передача від вірусу до хазяїна. Вони прийшли до висновку, що горизонтальні передачі генів були основними рушійними силами еволюції з обох сторін: віруси часто використовували еукаріотичні гени, які вони придбали, щоб стати більш ефективними для зараження своїх хазяїв, тоді як еукаріоти іноді використовували елементи вірусних генів для створення нових ознак або для регулювання своїх метаболізм по-новому.
Подібні висновки переконали деяких біологів, що віруси можуть сприяти принаймні деяким горизонтальним переносам генів. Якщо віруси можуть забирати гени від своїх хазяїв і якщо вони можуть залишати після себе шматки свого генома, здається можливим, що вони також можуть інколи передавати гени від останнього інфікованого ними хазяїна, або навіть одного з кількох поколінь тому, і передавати їх новий господар.
Участь вірусів також може допомогти вирішити іншу головоломку про горизонтальні переноси в еукаріотах. Щоб відбулися перенесення, мандрівні гени повинні подолати цілий ряд перешкод. Спочатку вони повинні дістатися від виду-донора до нового виду-господаря. Потім вони повинні потрапити в ядро і закріпитися в геномі господаря. Але проникнення в геном будь-якої клітини не підійде: у багатоклітинних істот, таких як жаби та оселедці, ген не передасться нащадкам тварини, якщо він не зможе проникнути в клітину зародкової лінії — сперму або яйцеклітину.
Віруси можуть підвищити ймовірність такої серії подій. У дрібних організмів, таких як нематода, за словами Данчіна, репродуктивний тракт і його зародкові клітини знаходяться недалеко від кишкового тракту, де можуть осідати віруси, які потрапляють в їжу. Оскільки жаби випускають свої яйця та сперму у відкриту воду, ці клітини потенційно вразливі до вірусів у навколишньому середовищі, які можуть прослизнути в гени.
Навіть із більшими істотами це може бути легше, ніж ви думаєте. На даний момент це все ще спекулятивна ідея, але "репродуктивний тракт повний мікробів і вірусів", - сказав Данчин. «Ми знаємо, що деякі віруси вражають саме статеві клітини».
Кілінг припускає, що, щоб зрозуміти таємницю горизонтального переносу генів, можливо, ми повинні розглядати їх як екологічні наслідки поведінки організму, його сусідів і середовища. Якщо горизонтально перенесений ген дає будь-які переваги для виживання, це, ймовірно, сильно залежить від конкретного сценарію, в якому опинився реципієнт гена — крижане море, гаряче джерело, апетитна рослина-господар із міцним захистом. «Вони настільки прив’язані до екології, де ця річ є, але вона змінюється», — припустив він. При неправильному зміні навколишнього середовища переданий ген «перестає бути корисним і втрачається».
Екологічні підказки
Горизонтальний перенос генів в еукаріот може відбуватися постійно: у ставку на задньому дворі, у ґрунті під ногами, у тварин, комах і рослин, які складають екосистему. «Я думаю, що передачі набагато більше, ніж ми знаємо», — сказав Бхаттачар’я. «Ми просто не бачимо їх, тому що вони зметені».
Щоб перевірити, як часто у жаб є змії BovB, команда Курабаяші звернулася до своїх колег за зразками жаб з усього світу для секвенування ДНК. Вони виявили, що з 149 видів 50 повернулися BovB. 32 мадагаскарські жаби, яких вони перевірили, становили менше чверті всіх видів, відібраних у зразках, але 29 з них несли ген змії — явна більшість усіх перенесених по всьому світу. Крім того, принаймні дві лінії жаб не придбали BovB поки їхні предки не мігрували з Африки на Мадагаскар.
Найцікавіша річ у папері, сказав Грем, «це те, що вона показує, що швидкість передачі нерівномірна. У різних географічних регіонах вони сильно відрізняються». Якщо провести додаткові дослідження з метою вивчення передачі генів у всьому світі — з’ясувати, чи відбувалися передачі з різною швидкістю в різних місцях — те, що ми знайдемо, може нас здивувати. Можливо, географія має більше значення, ніж ми можемо очікувати.
Чи є щось у навколишньому середовищі Мадагаскару, що робить його гарячою точкою для передачі генів? Ніхто не знає. Курабаяші каже, що він і його група найбільше підозрюють, що змія BovB на Мадагаскарі відрізняється від інших версій у світі тим, що трохи краще підійде до нового хоста.
Але велика кількість паразитів на острові також може бути сприяючим фактором. Наприклад, «на Мадагаскарі є багато п’явок». Мігель Венсес, герпетолог з Технологічного університету Брауншвейга в Німеччині та автор нової статті. «Якщо ви перебуваєте в тропічному лісі, ви їх помітите». Кровоссальні істоти харчуються багатьма видами тварин, включаючи жаб і змій, і вони не вище, ніж люди. Венсес і його колеги припускають, що п’явки можуть принести кров, що містить ген стрибка змії, в жабу, або, можливо, ген стрибка вже є у власному геномі п’явки від попередніх контактів зі зміями. Тоді, можливо, невідомий вірус зробить все інше.
На жаль, нелегко довести або спростувати сценарії, що описують, як могли відбутися такі горизонтальні переміщення. Без відбору для збереження послідовностей ДНК вони, як правило, мутують і перемішуються протягом тривалого часу, стираючи молекулярні докази перенесення. І якщо вірус бере участь у передачі, він може залишити дуже мало доказів, перш за все, сказав Грем. Тому дослідникам може знадобитися виявити генетичний стрибок, щоб зрозуміти, як це відбувається.
Бхаттачарія знаходиться на ранніх стадіях проекту, спрямованого саме на це. У гарячих джерелах у Лемонад-Крік у Єллоустоунському національному парку він та його колеги шукають ознаки переміщень, які, можливо, все ще знаходяться в процесі закріплення. Вони вивчають ДНК червоних водоростей, які перейняли гени від бактерій, які також живуть у джерелах, гени, які лише незначно відрізняються від оригіналів. «Ми не говоримо про мільйони років тому», — сказав Бхаттачарія. «Ми говоримо про дуже схожу ДНК, яка співіснує в двох різних сферах життя в одному середовищі».
Якщо вчені виявлять, що у водоростей у сусідніх джерелах відсутні будь-які з цих перенесених генів, то вони можуть бути свідками початку хвилі генетичних змін, що рухаються назовні через водорості, від одного сусіднього джерела до іншого. Кожен новий гарячий басейн може бути островом на порозі трансформації.
