'Skakajoča evolucijska teorija skokov z genoma s skupno rabo DNK po vrstah

DNA ponavadi rad sledi pravilom. Sklopi DNK se kopirajo nekoliko zvesto, kopije pa se prenesejo od staršev na potomce in tako pospešijo evolucijo, kot jo poznamo. Toda po novih ocenah je petdeset odstotkov vašega genoma sestavljen tudi iz renagirane DNK, ki rad skoči iz vrste na vrsto. Ta prevarantska DNK, raziskovalci pišejo v Biologija genoma članek, objavljen v ponedeljek, se je naključno vstavil v skoraj vsak genom na tem planetu skozi celoten razvoj življenja. Vse to je ostalo od vrste skrivnostnih dogodkov pred milijoni let.

Dr. Atma Ivančević, raziskovalka postdoktorske nevrogenetike in bioinformatike in glavni avtor članka, je začela svojo študijo s tem, ko je želela pojasniti, zakaj se ista prevarana DNK lahko najde v živalih, ki so zelo različne kot morski ježki in ljudje. Ugotovljeno je, da večina vrst na Zemlji deli veliko količino genskega materiala - verjetno ste slišali, da ljudje delijo približno 99 odstotkov naše DNK s šimpanzami - vendar so ti geni različni, pravi Ivancevic.

»Skakalni geni« niso pravzaprav geni; to so nekodirajoči deli "junk DNA", "pravi Inverse v e-poštnem sporočilu. "Pomislite na njih kot na genetske parazite, skočite okoli genoma, da se sebično posnemate in včasih skočite med vrstami."

V zadnjih nekaj letih smo začeli razumeti funkcijo teh prevarantskih delov DNK, vendar še vedno ne vemo natančno, kaj počnejo. To je skrivnost za skakajočimi geni: so drobtine sledi DNK, raztresene po drevesu življenja. Zdaj, zahvaljujoč temu dokumentu, bi lahko končno ugotovili, kako so naredili tako zmešnjavo.

Horizontalni prenos

Raziskava Ivančeviča je pokazala, da obstajata dve zaporedji skakalne junk DNA, ki ju je mogoče zaslediti na širokem razponu vrst, imenovanih BovB in L1. Raziskovalci te vzorce imenujejo prenosni elementi (TEs), ker se sami »kopirajo in prilepijo« po genih živali iz morskih ježkov, krav in ljudi. Ta nenavaden proces, v katerem TE prizadene genetski material druge vrste, se imenuje horizontalni prenos.

Naš standardno razumevanje reprodukcije je opisano z vertikalni prenos, predpostavka, da se večina genetskega materiala navadno prenaša od staršev na otroka.

Ko narišete družinsko drevo, ponavadi narasteš otroke pod njihovimi starši in v določenem smislu ti geni običajno padejo skozi generacije na ta način. Toda nekateri TE se premaknejo vodoravno preko drevesa življenja, "skakanje" iz DNK enega organizma v drugega skozi sel, ki se imenuje "vektor". Znanstveniki ne razumejo popolnoma, kako proces deluje med vrstami, vendar imajo občutek, kaj bi lahko bili vektorji.

Nekateri organizmi, kot so bakterije, so resnično dobri pri horizontalnem prenosu genov in pogosto to počnejo naravno, brez vektorja. Živali tega ne morejo storiti, vendar so lahko okuženih bakterij, ki lahko potem delujejo kot vektorji. Prispevek predlaga nekaj verjetnih kandidatov za to vlogo glasbenika, vključno z žuželkami, klopi in kobilicami, in imenuje tudi potencialna bitja vodnih vektorjev, kot so ostrige in morski črvi. Ti vektorji so verjetno premaknili dva bitna zaporedja junk DNA, BovB in L1, po vrstah.

Zelo zanimivo je, kaj se zgodi, ko DNK pride. Po dogodku prenosa, kažejo Ivančević in njena ekipa, se DNK lahko hitro posnema. Na primer, BovB naj bi se najprej pojavil v kačah in nato "skočil" na krave prek horizontalnih prenosov pred milijoni let, kjer se je večkrat ponovil. Razmislite o tem, kot da delate standardno kopiraj in prilepite, samo znova in znova ste zadeli nadzor-V.

»Zame je najbolj presenetljivo, da ni prenos, ampak učinki na genom gostitelja po prenosu,« pravi Ivančević. »Zdaj BovB zavzema približno 25% zaporedja kravjega genoma. To je velika sprememba!"

Iščem velike skoke

Da bi videli, kako daleč v drevo življenja so se te sekvence infiltrirale, je ekipa Ivančeviča raziskala genome 759 vrst. Ugotovili so, da je sekvenca BovB pri živalih tako oddaljena kot kače, krave, morski ježki, netopirji in konji (čeprav so bili netopirji in konji imeli majhno število popolnih sekvenc BovB). Zaporedje L1 se je zdelo še bolj razširjeno. Medtem ko je 79 vrst imelo zaporedje BovB, 559 vrste so imele zaporedje L1. Zgodovinsko je verjel, da je bil L1 prenesen le navpično, tako da je bila ugotovitev zaporedja L1 pri teh različnih vrstah preboj.

BovB je vedno vzbudil zanimanje raziskovalcev, ker je sklenil "velike skoke" med sosednjimi vrstami, kar dokazuje, da se je zgodil nekakšen horizontalni prenos. Toda prejšnja analiza je pokazala le nekaj primerov, v katerih so L1 sekvence naredile te velike skoke, zaradi česar so raziskovalci ugotovili, da se je L1 verjetno prenesel le navpično.

Z metanjem širše mreže je ekipa Ivančeviča pokazala, da je bilo več genomskih skokov, kot smo nekoč mislili. »Uporaba živali, rastlin in gliv je resnično pripomogla k prikazu čim več genomov s trenutnimi podatki. Ni veliko študij, ki iščejo čezmejni prenos v velikem obsegu, «pravi.

Ugotovitev, da so L1 prisotni pri 559 vrstah, je bil prepričljiv dokaz, da L1s imela naredil te velike skoke. Skupina opozarja na šest prej odkritih skokov L1 v morskih vrstah pred milijoni let kot možno odskočno desko za ta neželeni gen, da lahko v popolnoma ločena kraljestva vstopi v DNK vrst.

Pišejo, da je lahko eden od teh horizontalnih dogodkov iztisnil zaporedje L1 v starodavnega prednika „therianskih“ sesalcev - živali, ki ne položijo jajc - pred 160 in 191 milijoni let. Od tam se je lahko sekvenca prenesla navpično na vse potomce teh starodavnih živali, vključno z ljudmi. Medtem ko je L1 večinoma razdrobljen in neaktiven pri ljudeh, še vedno sestavlja 17 odstotkov našega genoma.

Takšne ugotovitve kažejo, kako lahko tudi najmanjše sile preoblikujejo evolucijo. Morda, pred milijoni let, je eden naših najbolj oddaljenih prednikov prišel v prepir s morskim morilcem - morda je bil morski črv - in nekako prejel injekcijo naključne DNK. Zdaj, milijoni let kasneje, te spremembe ostajajo znotraj nas in še vedno ugotavljamo, katere vloge igrajo.

"To kaže, kako lahko naključne DNK izmenjave oblikujejo naš razvoj," pravi Ivančević.