Giới thiệu
Nằm trên một chiếc lá trong rừng nhiệt đới, chú ếch mantella vàng bé nhỏ ẩn chứa một bí mật. Nó chia sẻ bí mật đó với ếch lưỡi chẻ, ếch sậy và vô số loài ếch khác trên các ngọn đồi và khu rừng của quốc đảo Madagascar, cũng như với boa và các loài rắn khác săn mồi chúng. Trên hòn đảo này, nơi có nhiều loài động vật không nơi nào có được, các nhà di truyền học gần đây đã có một khám phá đáng ngạc nhiên: Nằm rải rác trong bộ gen của loài ếch là một gen, BovB, mà dường như đến từ rắn.
Sau khi nghiên cứu bộ gen của các loài ếch và rắn trên khắp thế giới, các nhà khoa học đã báo cáo vào tháng XNUMX năm một tờ giấy in Sinh học phân tử và tiến hóa rằng gen này bằng cách nào đó đã di chuyển từ rắn sang ếch ít nhất 50 lần trên khắp hành tinh. Nhưng ở Madagascar, nó đã xâm nhập vào ếch với mức độ bừa bãi đáng kinh ngạc: 91% các loài ếch được lấy mẫu ở đó có nó. Dường như có điều gì đó khiến Madagascar trở thành một nơi đặc biệt thuận lợi để gen di động.
Thời Gian Kurabayashi Atsushi, một phó giáo sư tại Viện Khoa học và Công nghệ Sinh học Nagahama và là tác giả chính của bài báo mới, lần đầu tiên nhìn thấy phiên bản gen rắn ở ếch, ông đã rất bối rối. Anh ấy hỏi một đồng nghiệp chuyên về gen về nó, và đồng nghiệp đó ngay lập tức hét lên: "Chắc là chuyển giao ngang!" — sự chuyển gen từ loài này sang loài khác, trái ngược với sự di truyền gen theo chiều dọc của con cái từ bố mẹ.
Sự bùng nổ đó đã đưa Kurabayashi đi theo dấu vết của một hiện tượng từng được cho là cực kỳ hiếm gặp, mặc dù sự gia tăng của trình tự bộ gen tốt hơn đã khiến các nhà sinh vật học đánh giá lại quan điểm đó. Và bài báo mới này, trong đó chỉ ra rằng việc chuyển gen theo chiều ngang có thể xảy ra ở một số nơi hơn những nơi khác, càng làm phức tạp thêm câu chuyện. Nó gợi ý rằng khi tìm kiếm lời giải thích cho sự chuyển giao theo chiều ngang, các nhà nghiên cứu có thể cần nhìn xa hơn các cơ chế di truyền đơn giản đối với bối cảnh sinh thái mà các loài sinh sống. Các nhà di truyền học vẫn đang cố gắng hiểu mức độ phổ biến hoặc hiếm gặp của sự chuyển giao ngang trong các sinh vật phức tạp, nhưng một số nơi, chẳng hạn như Madagascar, có thể là điểm nóng đối với chúng.
Giới thiệu
Khi gen lang thang
Chuyển ngang là phổ biến ở vi khuẩn. Các sinh vật đơn bào đông đúc cư trú ở gần như mọi ngóc ngách trên hành tinh lấy gen từ môi trường của chúng dễ dàng như một chiếc bàn chải xơ nhặt lông mèo. Đó là một lý do khiến tình trạng vi khuẩn kháng kháng sinh lan rộng: Các gen bảo vệ được truyền đi dễ dàng và chọn lọc tự nhiên đảm bảo rằng các vi khuẩn kháng thuốc sẽ vượt qua các vi khuẩn lân cận và truyền gen của chúng cho thế hệ tiếp theo. Vi khuẩn trao đổi gen dễ dàng đến mức một số nhà khoa học thậm chí còn đề xuất rằng vi khuẩn hình thành một trang web của cuộc sống liên quan chứ không phải là một cây gia đình phân nhánh.
Tuy nhiên, các tế bào của sinh vật nhân chuẩn như người, ếch và rắn lại khác nhau. Nhân tế bào của chúng thường giống như một pháo đài để bảo vệ bộ gen. DNA được cuộn lại cẩn thận và lưu trữ trong thư viện của tòa thành đó, với các enzym chỉ gọi ra những gen mà chúng cần kiểm tra tại bất kỳ thời điểm nào. Tế bào được nạp với các thiết bị dự phòng để ngăn chặn thiệt hại cho DNA của nó và để sửa chữa hao mòn. Nếu bộ gen giống như một bản thảo vô giá được chiếu sáng, thì thủ thư của nó mang theo kiếm.
Tuy nhiên, các ví dụ về chuyển gen ngang liên quan đến sinh vật nhân chuẩn vẫn tiếp tục xuất hiện trong các tài liệu khoa học. Cá trích và cá smelt, những loài cá không liên quan bơi trong vùng nước băng giá ở Bắc Cực, bắc Thái Bình Dương và bắc Đại Tây Dương, có chính xác cùng một gen cho một loại protein giữ cho máu của họ không bị đóng băng; nó có khả năng nhảy từ cá trích vào luyện kim. Laurie Graham, một nhà sinh học phân tử tại Đại học Queen ở Canada và các đồng nghiệp của cô ấy đã báo cáo điều đó vào năm ngoái; phát hiện của họ phản trực giác đến mức Graham gặp khó khăn trong việc xuất bản tác phẩm.
Tương tự, nhà sinh vật học tiến hóa Etienne GJ Danchin và các đồng nghiệp của ông tại Viện Nghiên cứu Quốc gia về Nông nghiệp, Thực phẩm và Môi trường ở Pháp đang nghiên cứu một bộ enzym rằng giun tròn lấy từ vi khuẩn. Và hơn 100 họ gen dường như đã chuyển từ vi khuẩn sang thực vật từ lâu, viết kim lăng hoàng của Đại học Đông Carolina và cộng sự trong một tờ giấy năm nay.
Có những lý do rất rõ ràng giải thích tại sao sự tiến hóa mỉm cười với một số sự chuyển đổi không thể xảy ra này. Cá có gen không bị đóng băng. Enzym tiêu hóa của tuyến trùng cho phép chúng lấy thêm năng lượng từ thành tế bào của thực vật mà chúng ăn. Do một nhóm enzyme thu được từ vi khuẩn, loài tảo đỏ sống trong suối nước nóng được nhà sinh vật học tiến hóa nghiên cứu Bhattacharya tồi tệ và học sinh của mình Julia Van Etten tại Đại học Rutgers có thể sống sót khi tiếp xúc với các chất có thể giết chết chúng. Nếu một gen tăng khả năng sống sót, thì sẽ không mất nhiều thời gian trước khi con cháu của sinh vật đầu tiên có gen đó tiếp quản.
Tuy nhiên, không phải tất cả các gen lang thang này đều nhất thiết mang lại lợi thế. BovB là một transposon nổi tiếng, một mẩu vật liệu di truyền có xu hướng nhảy ngẫu nhiên xung quanh bộ gen. Theo một cách nào đó, bước nhảy từ rắn sang ếch ở Madagascar của nó - tuy nhiên chúng đã xảy ra - chỉ là những bước nhảy lớn hơn bình thường một cách kỳ lạ. Hơn nữa, mặc dù các transposon có thể có ảnh hưởng sâu sắc đến bộ gen, BovB không phải là một gen có chức năng theo nghĩa truyền thống; nó chỉ là một chút DNA tạo ra các bản sao của chính nó. Kurabayashi lưu ý rằng mặc dù khả năng BovB không thể loại trừ những con ếch được hưởng lợi, nhiều khả năng là BovB vẫn tồn tại thông qua thành công tích cực của chính nó khi tự nhân đôi. Điều này có thể giúp giải thích tại sao khi sinh vật nhân chuẩn kết hợp với vật liệu di truyền của các sinh vật khác, transposon như BovB thường xuyên tham gia.
Việc các sinh vật nhân chuẩn lấy gen từ vi khuẩn có vẻ kỳ lạ, nhưng điều kỳ lạ hơn nữa là thực tế là các ví dụ về chuyển gen ngang theo hướng khác lại hiếm hơn rất nhiều. Vì một số lý do, vi khuẩn không muốn gen của chúng ta. Các gen của sinh vật nhân chuẩn có các đặc điểm cấu trúc khiến chúng không phải là vật liệu hoàn hảo cho vi khuẩn, nhưng cũng có thể có các yếu tố góp phần khác.
“Có lẽ sinh vật nhân chuẩn không có gen mà vi khuẩn quan tâm,” nói Patrick Keeling, một nhà sinh vật học tại Đại học British Columbia, người nghiên cứu về chuyển giao ngang.
Đi virus
Không giống như vi khuẩn, vi-rút có khả năng thực sự trong việc lấy gen từ vật chủ là sinh vật nhân chuẩn của chúng. Virus, đặc biệt là những loại được gọi là retrovirus, có các công cụ để xâm nhập vào tế bào và nhân của vật chủ, và chúng là bậc thầy trong việc đưa vật liệu di truyền vào bộ gen của vật chủ. Có tới 8% bộ gen của con người được tạo thành từ phần còn lại của retrovirus, những mảnh vỡ của các bệnh nhiễm trùng từ lâu trong lịch sử loài người chúng ta.
Đôi khi việc chuyển giao cũng diễn ra theo cách khác. Trong một tờ giấy xuất bản năm Vi sinh vật tự nhiên Tháng XNUMX năm ngoái, Keeling, cộng tác viên của anh ấy Nicholas Irwin của Đại học Oxford và các đồng nghiệp của họ đã thực hiện phân tích toàn diện đầu tiên về chuyển gen ngang giữa 201 sinh vật nhân chuẩn và 108,842 virus. Họ đã tìm thấy bằng chứng cho hơn 6,700 lần chuyển gen, trong đó chuyển từ vật chủ sang vi-rút phổ biến gấp đôi so với chuyển từ vi-rút sang vật chủ. Họ kết luận rằng sự chuyển gen theo chiều ngang là động lực chính của quá trình tiến hóa ở cả hai phía: Virus thường sử dụng các gen của sinh vật nhân chuẩn mà chúng có được để trở nên hiệu quả hơn trong việc lây nhiễm vật chủ, trong khi sinh vật nhân chuẩn đôi khi sử dụng các yếu tố của gen virut để tạo ra các đặc điểm mới hoặc để điều chỉnh các gen của chúng. trao đổi chất theo những cách mới.
Những phát hiện như thế này đã thuyết phục một số nhà sinh vật học rằng ít nhất một số chuyển gen ngang có thể được tạo điều kiện thuận lợi bởi virus. Nếu virus có thể lấy gen từ vật chủ của chúng và nếu chúng có thể để lại các mảnh bộ gen của chúng, thì có vẻ như đôi khi chúng cũng có thể vận chuyển gen từ vật chủ cuối cùng mà chúng đã lây nhiễm, hoặc thậm chí từ một thế hệ trước và đưa chúng cho một vật chủ mới.
Sự tham gia của virus cũng có thể giúp giải một câu đố khác về sự chuyển giao ngang ở sinh vật nhân chuẩn. Để quá trình chuyển giao diễn ra, các gen di chuyển cần phải vượt qua toàn bộ hàng loạt rào cản. Đầu tiên chúng phải chuyển từ loài cho sang loài vật chủ mới. Sau đó, chúng phải xâm nhập vào nhân và ẩn mình trong bộ gen của vật chủ. Nhưng việc xâm nhập vào bộ gen của bất kỳ tế bào nào sẽ không hiệu quả: Ở các sinh vật đa bào như ếch và cá trích, một gen sẽ không được truyền lại cho con cái của động vật trừ khi nó có thể lẻn vào tế bào mầm - tinh trùng hoặc trứng.
Virus có thể làm cho chuỗi sự kiện đó có nhiều khả năng xảy ra hơn. Danchin cho biết, ở những sinh vật nhỏ như giun tròn, đường sinh sản và tế bào mầm của nó không xa đường ruột, nơi vi rút ăn vào thức ăn có thể định cư. Bởi vì ếch phóng thích trứng và tinh trùng của chúng vào vùng nước mở, những tế bào đó có khả năng dễ bị vi-rút trong môi trường xâm nhập vào gen.
Ngay cả với những sinh vật lớn hơn, nó có thể dễ dàng hơn bạn nghĩ. Tại thời điểm này, đó vẫn chỉ là một ý tưởng mang tính suy đoán, nhưng “đường sinh sản chứa đầy vi khuẩn và vi rút,” Danchin nói. “Chúng tôi biết một số vi-rút lây nhiễm các tế bào mầm cụ thể.”
Keeling gợi ý rằng để hiểu được bí ẩn của quá trình chuyển gen ngang, có lẽ chúng ta nên coi chúng là hậu quả sinh thái của các hành vi của một sinh vật, các nước láng giềng và môi trường của nó. Nếu một gen được chuyển theo chiều ngang mang lại bất kỳ lợi ích sinh tồn nào, thì nó có khả năng phụ thuộc rất nhiều vào tình huống cụ thể mà người nhận gen tự tìm thấy - một vùng biển băng giá, một suối nước nóng, một cây ký chủ ngon miệng với khả năng phòng thủ khó khăn. Ông suy đoán: “Chúng gắn liền với hệ sinh thái nơi có thứ đó, nhưng nó sẽ thay đổi. Với sự thay đổi sai môi trường, gen được chuyển giao “không còn lợi thế nữa mà bị mất đi”.
đầu mối sinh thái
Chuyển gen ngang ở sinh vật nhân chuẩn có thể xảy ra mọi lúc: trong ao ở sân sau của bạn, trong đất dưới chân bạn, ở động vật, côn trùng và thực vật tạo nên hệ sinh thái. Bhattacharya nói: “Tôi nghĩ có nhiều sự chuyển giao hơn chúng ta biết. “Chúng tôi không nhìn thấy chúng vì chúng bị quét sạch.”
Để kiểm tra mức độ phổ biến của ếch với rắn BovB, nhóm của Kurabayashi đã liên hệ với các đồng nghiệp của họ để lấy các mẫu ếch từ khắp nơi trên thế giới để giải trình tự DNA. Họ phát hiện ra rằng trong số 149 loài, 50 loài đã quay trở lại với BovB. 32 con ếch Malagasy mà họ thử nghiệm chiếm chưa đến 29/XNUMX tổng số loài được lấy mẫu, nhưng XNUMX con trong số chúng mang gen rắn - phần lớn rõ ràng trong số tất cả các trường hợp chuyển giao được tìm thấy trên khắp thế giới. Hơn nữa, ít nhất hai trong số các dòng ếch không có được BovB cho đến sau khi tổ tiên của họ di cư từ Châu Phi đến Madagascar.
Điều thú vị nhất về bài báo, Graham nói, “là nó cho thấy tốc độ chuyển giao không đồng nhất. Nó rất khác nhau giữa các vùng địa lý.” Nếu có nhiều nghiên cứu hơn đặt ra với mục tiêu xem xét quá trình chuyển gen trên toàn cầu — xem liệu việc chuyển gen có xảy ra với tốc độ khác nhau ở những nơi khác nhau hay không — thì những gì chúng tôi tìm thấy có thể làm chúng tôi ngạc nhiên. Có lẽ địa lý quan trọng hơn chúng ta có thể mong đợi.
Có điều gì đó về môi trường của Madagascar khiến nó trở thành một điểm nóng cho việc chuyển gen? Không ai biết. Kurabayashi nói rằng anh và nhóm của mình nghi ngờ rất nhiều rằng con rắn BovB ở Madagascar khác với các phiên bản ở những nơi khác trên thế giới ở chỗ tốt hơn một chút trong việc hòa mình vào vật chủ mới.
Nhưng sự phong phú của ký sinh trùng trên đảo cũng có thể là một yếu tố góp phần. Ví dụ, “ở Madagascar, có rất nhiều đỉa,” nói Miguel Vences, một nhà bò sát học tại Đại học Công nghệ Braunschweig ở Đức và là tác giả của bài báo mới. “Nếu bạn đang ở trong rừng nhiệt đới, bạn sẽ nhận thấy chúng.” Các sinh vật hút máu ăn nhiều loại động vật, bao gồm cả ếch và rắn, và chúng không ở trên con người. Vences và các đồng nghiệp của ông suy đoán rằng đỉa có thể mang máu chứa gen nhảy của rắn vào ếch, hoặc có lẽ gen nhảy đã có sẵn trong bộ gen của đỉa từ những lần tiếp xúc trước đó với rắn. Sau đó, có thể một loại virus không xác định sẽ làm phần còn lại.
Thật không may, không dễ để chứng minh hoặc bác bỏ các kịch bản mô tả cách thức các chuyển giao ngang như vậy có thể xảy ra. Nếu không có sự chọn lọc để bảo tồn các chuỗi DNA, chúng có xu hướng đột biến và bị xáo trộn trong thời gian dài, xóa bỏ bằng chứng phân tử về sự chuyển giao. Và nếu một loại virus có liên quan đến việc chuyển giao, nó có thể để lại rất ít bằng chứng ngay từ đầu, Graham nói. Do đó, các nhà nghiên cứu có thể gần như cần phải nắm bắt được một bước nhảy di truyền trong hành động để biết nó đang diễn ra như thế nào.
Bhattacharya đang trong giai đoạn đầu của một dự án nhằm thực hiện điều đó. Trong suối nước nóng ở Lemonade Creek trong Công viên Quốc gia Yellowstone, anh ấy và các đồng nghiệp của mình đang tìm kiếm các dấu hiệu chuyển giao có thể vẫn đang trong quá trình nắm giữ. Họ đang nghiên cứu DNA của tảo đỏ đã thu nhận các gen từ vi khuẩn cũng sống trong suối, các gen chỉ mang những khác biệt nhỏ so với bản gốc. “Chúng ta không nói về hàng triệu năm trước,” Bhattacharya nói. “Chúng ta đang nói về DNA rất giống nhau, cùng tồn tại trong hai lĩnh vực khác nhau của sự sống, trong cùng một môi trường.”
Nếu các nhà khoa học phát hiện ra rằng tảo ở các suối gần đó thiếu bất kỳ gen nào trong số các gen được chuyển giao này, thì họ có thể đang chứng kiến sự khởi đầu của một làn sóng thay đổi gen di chuyển ra bên ngoài qua tảo, từ suối này sang suối khác. Mỗi bể nước nóng mới có thể là một hòn đảo trên bờ vực chuyển đổi.
