Πώς τα γονίδια μπορούν να πηδήξουν από φίδια σε βατράχους στη Μαδαγασκάρη

Σκαρφαλωμένο σε ένα φύλλο στο τροπικό δάσος, ο μικροσκοπικός χρυσός βάτραχος μαντέλα κρύβει ένα μυστικό. Μοιράζεται αυτό το μυστικό με τον βατράχο με πιρουνόγλωσση, τον καλαμοβάτραχο και μυριάδες άλλους βατράχους στους λόφους και τα δάση του νησιωτικού έθνους της Μαδαγασκάρης, καθώς και με τους βόες και άλλα φίδια που τους λεηλατούν. Σε αυτό το νησί, πολλά από τα ζωικά είδη του οποίου δεν απαντώνται πουθενά αλλού, οι γενετιστές έκαναν πρόσφατα μια εκπληκτική ανακάλυψη:Πασπαλισμένο μέσα από το γονιδίωμα των βατράχων είναι ένα γονίδιο, το BovB , που φαινομενικά προήλθε από φίδια.

Αφού εξέτασαν γονιδιώματα από είδη βατράχων και φιδιών σε όλο τον κόσμο, οι επιστήμονες ανέφεραν τον Απρίλιο σε μια εργασία στο Molecular Biology and Evolution ότι αυτό το γονίδιο έχει με κάποιο τρόπο ταξιδέψει από φίδια σε βατράχους τουλάχιστον 50 φορές σε όλο τον πλανήτη. Αλλά στη Μαδαγασκάρη έχει εισχωρήσει σε βατράχους με εκπληκτική ασυδοσία:το 91% των ειδών βατράχων που ελήφθησαν δείγμα εκεί το έχουν. Κάτι φαίνεται να κάνει τη Μαδαγασκάρη ένα εξαιρετικά ευνοϊκό μέρος για την κινητικότητα του γονιδίου.

Όταν ο Atsushi Kurabayashi, αναπληρωτής καθηγητής στο Nagahama Institute of Bio-Science and Technology και ο ανώτερος συγγραφέας της νέας εργασίας, είδε για πρώτη φορά την έκδοση φιδιού του γονιδίου στους βατράχους, έμεινε μπερδεμένος. Ρώτησε έναν συνάδελφο που ειδικεύεται στη γονιδιωματική γι' αυτό και ο συνάδελφος φώναξε αμέσως, "Πρέπει να είναι οριζόντια μεταφορά!" — η μεταφορά ενός γονιδίου από ένα είδος σε άλλο, σε αντίθεση με την κάθετη κληρονομικότητα γονιδίων από ένα παιδί από έναν γονέα.

Αυτό το ξέσπασμα οδήγησε τον Κουραμπαγιάσι στα ίχνη ενός φαινομένου που κάποτε θεωρούνταν εξαιρετικά σπάνιο, αν και η άνοδος της καλύτερης γονιδιωματικής αλληλουχίας έκανε τους βιολόγους να επαναξιολογήσουν αυτή τη γνώμη. Και αυτό το νέο έγγραφο, που δείχνει ότι η οριζόντια μεταφορά γονιδίων μπορεί να είναι πιο πιθανή σε ορισμένα μέρη από άλλα, περιπλέκει ακόμη περισσότερο την ιστορία. Υποδηλώνει ότι όταν αναζητούν εξηγήσεις για οριζόντιες μεταφορές, οι ερευνητές μπορεί να χρειαστεί να κοιτάξουν πέρα ​​από απλούς γενετικούς μηχανισμούς στα οικολογικά πλαίσια στα οποία ζουν τα είδη. Οι γονιδιωματικοί εξακολουθούν να αγωνίζονται να καταλάβουν πόσο συχνές ή σπάνιες είναι οι οριζόντιες μεταφορές σε πολύπλοκους οργανισμούς, αλλά ορισμένα μέρη, όπως η Μαδαγασκάρη, μπορεί να είναι καυτά σημεία για αυτούς.

Όταν τα γονίδια περιπλανώνται

Η οριζόντια μεταφορά είναι συνηθισμένη στα βακτήρια. Οι πολυκύτταροι μονοκύτταροι οργανισμοί που κατοικούν σχεδόν σε κάθε κοιλότητα του πλανήτη παίρνουν γονίδια από το περιβάλλον τους τόσο εύκολα όσο μια βούρτσα με χνούδι μαζεύει τρίχες γάτας. Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο η βακτηριακή αντίσταση στα αντιβιοτικά είναι ευρέως διαδεδομένη:Τα προστατευτικά γονίδια μεταφέρονται εύκολα και η φυσική επιλογή διασφαλίζει ότι τα ανθεκτικά βακτήρια θα υπερτερούν των γειτόνων τους και θα περάσουν τα γονίδιά τους στην επόμενη γενιά. Τα βακτήρια ανταλλάσσουν γονίδια τόσο εύκολα που ορισμένοι επιστήμονες έχουν προτείνει ακόμη και ότι τα βακτήρια σχηματίζουν έναν ιστό σχετικής ζωής και όχι ένα διακλαδισμένο οικογενειακό δέντρο.

Τα κύτταρα των ευκαρυωτικών οργανισμών όπως ο άνθρωπος, οι βάτραχοι και τα φίδια, ωστόσο, είναι διαφορετικά. Ο πυρήνας του κυττάρου τους φαίνεται συνήθως σαν φρούριο για την προστασία του γονιδιώματος. Το DNA τυλίγεται προσεκτικά και αποθηκεύεται στη βιβλιοθήκη αυτής της ακρόπολης, με τα ένζυμα να καλούν μόνο τα γονίδια που πρέπει να εξετάσουν ανά πάσα στιγμή. Το κύτταρο είναι φορτωμένο με ασφαλιστικά για την αποφυγή βλάβης στο DNA του και για την αποκατάσταση της φθοράς. Εάν το γονιδίωμα είναι σαν ένα ανεκτίμητο φωτισμένο χειρόγραφο, οι βιβλιοθηκονόμοι του κουβαλούν ξίφη.

Ωστόσο, παραδείγματα οριζόντιων μεταφορών γονιδίων που περιλαμβάνουν ευκαρυώτες συνεχίζουν να μπαίνουν στην επιστημονική βιβλιογραφία. Οι ρέγγες και οι μυρωδιές, άσχετα ψάρια που κολυμπούν στα παγωμένα νερά της Αρκτικής, του βόρειου Ειρηνικού και του βόρειου Ατλαντικού ωκεανού, έχουν ακριβώς το ίδιο γονίδιο για μια πρωτεΐνη που εμποδίζει το αίμα τους να παγώσει. πιθανότατα πήδηξε από ρέγγες σε μυρωδιές. Η Laurie Graham, μοριακή βιολόγος στο Queen's University στον Καναδά, και οι συνάδελφοί της το ανέφεραν πέρυσι. Τα ευρήματά τους ήταν τόσο αντιφατικά που ο Γκράχαμ δυσκολεύτηκε να δημοσιεύσει το έργο.

Ομοίως, ο εξελικτικός βιολόγος Etienne G.J. Ο Danchin και οι συνεργάτες του στο Εθνικό Ινστιτούτο Ερευνών για τη Γεωργία, τα Τρόφιμα και το Περιβάλλον στη Γαλλία μελετούν μια σειρά ενζύμων που πήραν τα νηματώδη σκουλήκια από βακτήρια. Και πάνω από 100 οικογένειες γονιδίων φαίνεται να έχουν μεταπηδήσει από τα μικρόβια στα φυτά εδώ και πολύ καιρό, έγραψε ο Jinling Huang από το Πανεπιστήμιο της Ανατολικής Καρολίνας και οι συνεργάτες του σε μια εργασία φέτος.

Υπάρχουν όμορφα ξεκάθαροι λόγοι για τους οποίους η εξέλιξη χαμογέλασε σε μερικές από αυτές τις απίθανες μεταφορές. Τα ψάρια με το γονίδιο δεν παγώνουν. Τα πεπτικά ένζυμα των νηματωδών τους επιτρέπουν να αποσπούν περισσότερη ενέργεια από τα κύτταρα των φυτών που τρώνε. Λόγω μιας συστάδας ενζύμων που συλλέγονται από βακτήρια, τα κόκκινα φύκια που κατοικούν σε θερμές πηγές που μελετήθηκαν από τον εξελικτικό βιολόγο Debashish Bhattacharya και τη μαθήτριά του Julia Van Etten στο Πανεπιστήμιο Rutgers μπορούν να επιβιώσουν σε επαφή με ουσίες που διαφορετικά θα τα σκότωναν. Εάν ένα γονίδιο ενισχύει την επιβίωση, δεν χρειάζεται πολύς χρόνος για να το αναλάβουν οι απόγονοι του πρώτου οργανισμού που το αποκτήσουν.

Δεν έχουν όλα αυτά τα περιπλανώμενα γονίδια, ωστόσο, απαραίτητα ένα πλεονέκτημα. BovB είναι ένα πολύ γνωστό τρανσποζόνιο, ένα υπολείμμα γενετικού υλικού επιρρεπές σε τυχαία άλματα γύρω από το γονιδίωμα. Κατά κάποιο τρόπο, τα άλματά του από φίδια σε βατράχους στη Μαδαγασκάρη —όπως και να συνέβησαν— είναι απλώς παράξενα μεγαλύτερα άλματα από το συνηθισμένο. Επιπλέον, αν και τα τρανσποζόνια μπορούν να έχουν βαθιές επιπτώσεις στα γονιδιώματα, BovB δεν είναι ένα γονίδιο με λειτουργία με την παραδοσιακή έννοια· είναι απλώς ένα κομμάτι DNA που κάνει αντίγραφα του εαυτού του. Ο Kurabayashi σημειώνει ότι αν και η πιθανότητα BovB όφελος των βατράχων δεν μπορεί να αποκλειστεί, είναι πιο πιθανό ότι BovB επιμένει μέσω της δικής της επιθετικής επιτυχίας στον αυτοδιπλασιασμό. Αυτό μπορεί να βοηθήσει να εξηγηθεί γιατί όταν οι ευκαρυώτες καταλήγουν στο γενετικό υλικό άλλων οργανισμών, τρανσποζόνια όπως το BovB εμπλέκονται συχνά.

Όσο παράξενο κι αν φαίνεται για τους ευκαρυώτες να συλλέγουν γονίδια από βακτήρια, παράξενο είναι το γεγονός ότι τα παραδείγματα οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων προς την άλλη κατεύθυνση είναι πολύ πιο σπάνια. Για κάποιο λόγο, τα βακτήρια δεν θέλουν τα γονίδιά μας. Τα ευκαρυωτικά γονίδια έχουν δομικά χαρακτηριστικά που τα καθιστούν λιγότερο από τέλειο υλικό για βακτήρια, αλλά μπορεί να υπάρχουν και άλλοι παράγοντες που συμβάλλουν επίσης.

«Ίσως οι ευκαρυώτες να μην έχουν τα γονίδια που ενδιαφέρουν τα βακτήρια», λέει ο Πάτρικ Κίλινγκ, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας που μελετά τις οριζόντιες μεταφορές.

Γίνεται Viral

Σε αντίθεση με τα βακτήρια, οι ιοί έχουν μια πραγματική ικανότητα να συλλέγουν γονίδια από τους ευκαρυωτικούς ξενιστές τους. Οι ιοί, ιδιαίτερα αυτοί που ονομάζονται ρετροϊοί, έχουν τα εργαλεία για να εισχωρήσουν στα κύτταρα και τους πυρήνες ενός ξενιστή και είναι κύριοι της εισαγωγής γενετικού υλικού στα γονιδιώματα του ξενιστή. Έως και το 8% του ανθρώπινου γονιδιώματος αποτελείται από υπολείμματα ρετροϊών, θραύσματα λοιμώξεων από παλιά στην ιστορία του είδους μας.

Μερικές φορές η μεταφορά πηγαίνει και αντίστροφα. Σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε στο Nature Microbiology Τον περασμένο Δεκέμβριο, ο Keeling, ο συνεργάτης του Nicholas Irwin από το Πανεπιστήμιο της Οξφόρδης και οι συνάδελφοί τους πραγματοποίησαν την πρώτη ολοκληρωμένη ανάλυση οριζόντιων μεταφορών γονιδίων μεταξύ 201 ευκαρυωτών και 108.842 ιών. Βρήκαν στοιχεία για περισσότερες από 6.700 μεταφορές γονιδίων, με μεταφορές από ξενιστή σε ιό περίπου δύο φορές πιο συχνές από τις μεταφορές από ιό σε ξενιστή. Κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι οι οριζόντιες μεταφορές γονιδίων ήταν βασικοί μοχλοί της εξέλιξης και στις δύο πλευρές:οι ιοί συχνά χρησιμοποιούσαν τα ευκαρυωτικά γονίδια που απέκτησαν για να γίνουν πιο αποτελεσματικοί στη μόλυνση των ξενιστών τους, ενώ οι ευκαρυώτες μερικές φορές χρησιμοποιούσαν στοιχεία των γονιδίων του ιού για να δημιουργήσουν νέα χαρακτηριστικά ή να ρυθμίσουν μεταβολισμούς με νέους τρόπους.

Ευρήματα όπως αυτά έχουν πείσει ορισμένους βιολόγους ότι τουλάχιστον ορισμένες οριζόντιες μεταφορές γονιδίων μπορεί να διευκολύνονται από ιούς. Εάν οι ιοί μπορούν να πάρουν γονίδια από τους ξενιστές τους και αν μπορούν να αφήσουν πίσω τους κομμάτια του γονιδιώματός τους, φαίνεται πιθανό ότι μερικές φορές θα μπορούσαν επίσης να μεταφέρουν γονίδια από τον τελευταίο ξενιστή που μόλυναν, ​​ή ακόμα και ένα από γενιές πριν, και να τα δώσουν σε ένας νέος οικοδεσπότης.

Η εμπλοκή ιών θα μπορούσε επίσης να βοηθήσει στην επίλυση ενός άλλου παζλ σχετικά με τις οριζόντιες μεταφορές στους ευκαρυώτες. Για να πραγματοποιηθούν οι μεταφορές, τα γονίδια που ταξιδεύουν πρέπει να ξεπεράσουν μια ολόκληρη σειρά από εμπόδια. Πρώτα πρέπει να φτάσουν από το είδος δότη στο νέο είδος ξενιστή. Στη συνέχεια, πρέπει να εισέλθουν στον πυρήνα και να εγκλωβιστούν στο γονιδίωμα του ξενιστή. Αλλά η είσοδος στο γονιδίωμα οποιουδήποτε κυττάρου δεν θα κάνει:Σε πολυκύτταρα πλάσματα όπως οι βάτραχοι και οι ρέγγες, ένα γονίδιο δεν θα μεταβιβαστεί στους απογόνους του ζώου εκτός εάν μπορεί να εισχωρήσει κρυφά σε ένα βλαστικό κύτταρο - ένα σπέρμα ή ένα ωάριο. /P>

Οι ιοί μπορεί να κάνουν αυτή τη σειρά γεγονότων πιο πιθανή. Σε μικρούς οργανισμούς όπως ο νηματώδης, είπε ο Danchin, η αναπαραγωγική οδός και τα γεννητικά της κύτταρα δεν βρίσκονται μακριά από την εντερική οδό, όπου οι ιοί που καταπίνονται με τα τρόφιμα μπορούν να εγκατασταθούν. Επειδή οι βάτραχοι απελευθερώνουν τα ωάρια και το σπέρμα τους στο ανοιχτό νερό, αυτά τα κύτταρα είναι δυνητικά ευάλωτα σε ιούς στο περιβάλλον που θα μπορούσαν να γλιστρήσουν στα γονίδια.

Ακόμη και με μεγαλύτερα πλάσματα, μπορεί να είναι πιο εύκολο από όσο νομίζετε. Σε αυτό το σημείο, εξακολουθεί να είναι μια εικαστική ιδέα, αλλά «η αναπαραγωγική οδός είναι γεμάτη από μικρόβια και ιούς», είπε ο Danchin. "Γνωρίζουμε ότι ορισμένοι ιοί μολύνουν ειδικά την αναπαραγωγική οδό."

Ο Keeling προτείνει ότι για να κατανοήσουμε το μυστήριο της οριζόντιας μεταφοράς γονιδίων, ίσως θα πρέπει να τις θεωρήσουμε ως οικολογικές συνέπειες των συμπεριφορών ενός οργανισμού, των γειτόνων του και του περιβάλλοντος του. Εάν ένα οριζόντια μεταφερόμενο γονίδιο προσφέρει οποιοδήποτε όφελος επιβίωσης, είναι πιθανό να εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από το συγκεκριμένο σενάριο στο οποίο βρίσκεται ο αποδέκτης του γονιδίου - μια παγωμένη θάλασσα, μια θερμή πηγή, ένα ορεκτικό φυτό ξενιστή με σκληρές άμυνες. «Είναι τόσο συνδεδεμένοι με την οικολογία όπου βρίσκεται αυτό το πράγμα, αλλά αλλάζει», υπέθεσε. Με τη λάθος μετατόπιση στο περιβάλλον, το μεταφερόμενο γονίδιο "δεν είναι πλέον πλεονεκτικό και χάνεται."

Οικολογικά στοιχεία

Οριζόντιες μεταφορές γονιδίων στους ευκαρυώτες μπορεί να συμβαίνουν συνεχώς:στη λίμνη στην αυλή σας, στο χώμα κάτω από τα πόδια σας, στα ζώα, τα έντομα και τα φυτά που συνθέτουν το οικοσύστημα. «Νομίζω ότι υπάρχει πολύ μεγαλύτερη μεταγραφή από ό,τι γνωρίζουμε», είπε ο Bhattacharya. "Απλώς δεν τους βλέπουμε γιατί έχουν σαρωθεί."

Για να ελέγξετε πόσο συνηθισμένο είναι για τους βατράχους να έχουν φίδι BovB , η ομάδα του Kurabayashi απευθύνθηκε στους συναδέλφους τους για δείγματα βατράχων από όλο τον κόσμο για τον προσδιορισμό της αλληλουχίας του DNA. Διαπίστωσαν ότι από τα 149 είδη, τα 50 επέστρεψαν με BovB . Οι 32 βάτραχοι Μαδαγασκάρης που δοκίμασαν αποτελούσαν λιγότερο από το ένα τέταρτο όλων των ειδών που ελήφθησαν στο δείγμα, αλλά 29 από αυτούς έφεραν το γονίδιο του φιδιού - μια σαφής πλειονότητα όλων των μεταφορών που βρέθηκαν σε όλο τον κόσμο. Επιπλέον, τουλάχιστον δύο από τις γενεαλογίες βατράχων δεν απέκτησαν BovB έως ότου οι πρόγονοί τους μετανάστευσαν από την Αφρική στη Μαδαγασκάρη.

Το πιο ενδιαφέρον πράγμα για την εφημερίδα, είπε ο Graham, «είναι ότι δείχνει ότι ο ρυθμός μεταγραφής δεν είναι ομοιόμορφος. Διαφέρει πολύ μεταξύ γεωγραφικών περιοχών.» Εάν ξεκινήσουν περισσότερες μελέτες με στόχο να εξετάσουμε τη μεταφορά γονιδίων σε όλο τον κόσμο - να δούμε αν οι μεταφορές έχουν συμβεί με διαφορετικούς ρυθμούς σε διαφορετικά μέρη - αυτό που βρίσκουμε μπορεί να μας εκπλήξει. Ίσως η γεωγραφία να έχει μεγαλύτερη σημασία από ό,τι περιμέναμε.

Υπάρχει κάτι στο περιβάλλον της Μαδαγασκάρης που την καθιστά ένα hot spot για τη μεταφορά γονιδίων; Κανείς δεν ξέρει. Ο Kurabayashi λέει ότι αυτός και η ομάδα του υποψιάζονται πολύ έντονα ότι το φίδι BovB στη Μαδαγασκάρη διαφέρει από τις εκδόσεις αλλού στον κόσμο στο ότι είναι λίγο καλύτερο στο να μπει σε έναν νέο οικοδεσπότη.

Αλλά η αφθονία των παρασίτων στο νησί μπορεί επίσης να είναι ένας παράγοντας που συμβάλλει. Για παράδειγμα, «στη Μαδαγασκάρη, υπάρχουν πολλές βδέλλες», είπε ο Miguel Vences, ερπετολόγος στο Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο Braunschweig στη Γερμανία και συγγραφέας της νέας εργασίας. «Αν βρίσκεστε στο τροπικό δάσος, θα τα προσέξετε». Τα πλάσματα που ρουφούν το αίμα τρέφονται με πολλούς τύπους ζώων, συμπεριλαμβανομένων βατράχων και φιδιών, και δεν υπερβαίνουν τους ανθρώπους. Ο Vences και οι συνάδελφοί του εικάζουν ότι οι βδέλλες μπορεί να φέρουν αίμα που περιέχει το γονίδιο άλματος του φιδιού στους βατράχους ή ίσως το γονίδιο άλματος βρίσκεται ήδη στο γονιδίωμα της ίδιας της βδέλλας από προηγούμενες επαφές με φίδια. Τότε ίσως ένας άγνωστος ιός κάνει τα υπόλοιπα.

Δυστυχώς, δεν είναι εύκολο να αποδειχθούν ή να διαψευστούν σενάρια που περιγράφουν πώς μπορεί να έχουν συμβεί τέτοιες οριζόντιες μεταφορές. Χωρίς επιλογή για τη διατήρηση των αλληλουχιών DNA, τείνουν να μεταλλάσσονται και να ανακατεύονται σε μεγάλα χρονικά διαστήματα, διαγράφοντας τα μοριακά στοιχεία μιας μεταφοράς. Και εάν ένας ιός εμπλέκεται στη μεταφορά, μπορεί να αφήσει πολύ λίγα στοιχεία στην πρώτη θέση, είπε ο Graham. Ως εκ τούτου, οι ερευνητές μπορεί σχεδόν να χρειαστεί να πιάσουν ένα γενετικό άλμα στην πράξη για να μάθουν πώς συμβαίνει.

Η Bhattacharya βρίσκεται στα πρώτα στάδια ενός έργου που στοχεύει να κάνει ακριβώς αυτό. Στις ιαματικές πηγές στο Lemonade Creek στο Εθνικό Πάρκο Yellowstone, αυτός και οι συνάδελφοί του αναζητούν σημάδια μεταγραφών που μπορεί να βρίσκονται ακόμη στη διαδικασία. Μελετούν το DNA των κόκκινων φυκών που έχουν πάρει γονίδια από βακτήρια που ζουν επίσης στις πηγές, γονίδια που έχουν μόνο μικρές διαφορές από τα πρωτότυπα. «Δεν μιλάμε για εκατομμύρια χρόνια πριν», είπε ο Bhattacharya. "Μιλάμε για DNA που είναι πολύ παρόμοιο, που συνυπάρχει σε δύο διαφορετικούς τομείς της ζωής, στο ίδιο περιβάλλον."

Εάν οι επιστήμονες ανακαλύψουν ότι τα φύκια σε κοντινές πηγές δεν έχουν κανένα από αυτά τα μεταφερόμενα γονίδια, τότε μπορεί να είναι μάρτυρες της αρχής ενός κυματισμού γενετικής αλλαγής που κινείται προς τα έξω μέσα από τα φύκια, από τη μια γειτονική πηγή στην άλλη. Κάθε νέα ζεστή πισίνα μπορεί να είναι ένα νησί στο χείλος ενός μετασχηματισμού.