Od odkrycia takiego zjawiska jak horyzontalny transfer genów, a mianowicie nie od rodziców do potomstwa, cały żywy świat na naszej planecie jest przedstawiany jako jeden system informacyjny. W tym systemie możliwe staje się zapożyczenie udanego wynalazku ewolucyjnego jednego gatunku przez inny. Czym jest wertykalny i poziomy transfer genów, jakie są mechanizmy tego procesu i przykłady w świecie organicznym – to wszystko jest artykuł.
Geny sąsiadów
Wszyscy wiedzą, że geny otrzymujemy od naszych rodziców. I są od swoich rodziców. To jest transfer pionowy. A jeśli nagle pojawi się mutacja, która okaże się użyteczna dla przetrwania lub adaptacji i zyska przyczółek w genomie populacji, wówczas gatunek zyska przewagę w walce o byt.
Jednocześnie osoba ma własne geny,mszyce mają swoje, a rekiny mają swoje. Przenikanie się między gatunkami jest dla nich prawie niemożliwe. Ale czasami tak się dzieje - jest to horyzontalny transfer genów.
To właśnie robi nowoczesna inżynieria genetyczna. Wynikiem takiego transferu genów są organizmy zmodyfikowane genetycznie (na przykład niesporczak świetlny na powyższym zdjęciu). Ale w naturze zjawisko to istnieje od dawna.
Sedno sprawy
Pionowy transfer genów to zjawisko przenoszenia materiału dziedzicznego z form rodzicielskich do organizmów potomnych.
Transfer genów w poziomie to naturalna sytuacja przenoszenia genów z jednego dorosłego organizmu do drugiego. Jednocześnie obiektywnie istnieją dwa organizmy, które czasami należą do różnych gatunków biologicznych.
Przykładem horyzontalnego transferu genów u bakterii jest transfer genów odporności z jednego szczepu bakterii do drugiego.
Niezbędne warunki
Aby zrozumieć to zjawisko, konieczne jest poznanie warunków, w których taki transfer jest w zasadzie możliwy, a mianowicie:
- Konieczne jest posiadanie pośrednika do "transportu" genów z jednej komórki do drugiej, z jednego organizmu do drugiego.
- Musi istnieć mechanizm molekularny, który umożliwiłby wstawienie obcych genów do zestawu genów gospodarza.
Warunki te mogą z powodzeniem spełniać retrowirusy i inne transpozony (elementy DNA). I właśnie takie metody horyzontalnego transferu genów przyjęła dzisiaj inżynieria genetyczna.
ChociażDziś mechanizmy takiego transferu genów są dopiero badane, oprócz wirusów taki transfer może zachodzić również za pomocą wolnych odcinków kwasów dezoksyrybonukleinowych (transpozonów), które dostają się do organizmu przez proste wprowadzenie lub z organizmami pasożytniczymi. Te ostatnie mogą zmienić nie tylko aparat genetyczny gospodarza, ale także jego ekologiczne miejsce w systemie biocenozy.
Tło
To transfer genów oporności na antybiotyki między różnymi szczepami bakterii został po raz pierwszy opisany w Japonii w 1959 roku.
Już w połowie lat 90. biolodzy molekularni udowodnili, że poziomy transfer genów u prokariontów i eukariontów był zaangażowany w ewolucyjny rozwój życia na naszej planecie.
W 2010 roku opublikowano badanie profesora Cedrica Feschotta, w którym przedstawiono analizę genomu małp opos i saimiri. Ugryzł ich jeden rodzaj robaka. W genomach ssaków znaleziono transpozoon, który w 98% jest identyczny z owadami. Dla twojej informacji, te robaki gryzą nie tylko małpy i oposy.
Od teraz hipoteza horyzontalnego transferu genów między różnymi domenami organizmów stała się nowym paradygmatem biologii.
Kolorowe błędy
I jeśli horyzontalny transfer genów w bakteriach przez ostatnie 30 lat nie budził wątpliwości wśród biologów, to jego możliwość w organizmach wielokomórkowych budzi wiele pytań. Wtedy to uwagę biologów przyciągnęła mszyca szara, u której…są osobniki o zielono-czerwonym kolorze ciała.
Analiza pigmentów, które nadają kolor czerwonym osobnikom, wykazała obecność karotenoidów – barwników roślinnych. Skąd mszyce otrzymały geny unikalne dla organizmów roślinnych? Dziś sekwencjonowanie genomu owada jest dla naukowców dość prostą sprawą. W ten sposób odkryto, że geny mszyc odpowiedzialne za syntezę czerwonego pigmentu są całkowicie identyczne z genami niektórych grzybów, które pasożytują w ciele mszyc, nie powodując żadnych widocznych szkód.
Najprawdopodobniej u zarania ewolucji mszyc (około 80 milionów lat temu) doszło do awarii maszyny genetycznej i geny grzybów zostały wbudowane w genom owada.
Ewolucja i bioróżnorodność
Cała systematyka filogenetyczna świata organicznego opiera się na koncepcji dywergencji Darwina. Jego istota jest następująca: gdy tylko nastąpi izolacja reprodukcyjna między populacjami gatunku, możemy mówić o procesie specjacji. A już dwa gatunki nadal ewoluują w oparciu o dobór naturalny i losowe mutacje.
Odkrycie horyzontalnego transferu genów między gatunkami a większymi taksonami tylko dowiodło, że w tak krótkim okresie czasoprzestrzennym (4 miliardy lat), żywa materia na naszej planecie może przejść od form jednokomórkowych do wysoce zorganizowanych wielokomórkowych.
W ten sposób cała biota planety staje się jednym laboratorium do tworzenia nowych cech dziedzicznych i jest to poziomy ruch genówmoże i nadal znacząco przyspiesza proces ewolucyjny.
Pożyczmy trochę genów
W 2015 roku genetyk Alistair Crisp z Cambridge (Wielka Brytania) zbadał genomy 12 gatunków muszek owocowych Drosophila, 4 gatunków glist i 10 gatunków naczelnych (z których jeden to człowiek). Naukowiec szukał „obcych” fragmentów DNA.
Wyniki badań potwierdziły obecność 145 regionów w genomach, które są wynikiem horyzontalnego transferu genów u eukariontów.
Niektóre z tych genów biorą udział w metabolizmie białek i lipidów, a inne w odpowiedzi immunologicznej. Co najważniejsze, udało się zidentyfikować prawdopodobnych dawców tych genów. Okazało się, że są to protisty (najprostsze eukarionty), bakterie (prokariota) i grzyby.
Co z nami
Wiadomo już, że poprzez poziomy transfer genów u ludzi pojawiły się geny odpowiedzialne za grupy krwi AB0.
Większość dowodów na taki transfer genów u naczelnych ma bardzo starożytne pochodzenie, sięgające wspólnego przodka z innymi strunowcami.
Według ostatnich badań, powstawanie łożyska u ludzi jest również odpowiedzialne za gen wirusa, który został wychwycony gdzieś na początku tworzenia się zwierząt łożyskowych.
Wyniki sekwencjonowania ludzkiego genomu wykazały, że zawiera on około 8% fragmentów genomów wirusowych, które nazywane są „genami snu”.
Wiek mutantów
Dochodzimy dotemat opowieści grozy, którymi straszą zieloni aktywiści. A co, jeśli te „śpiące” geny się włączą? A może kleszcz gryzie człowieka i wciąga w jego genom jakiś horror? A może jemy genetycznie zmodyfikowaną soję i stajemy się mutantami? Ale przecież przez 4 miliardy lat bioróżnorodność na planecie tylko się zwiększyła, a ty i ja wciąż jesteśmy trochę jak wieloryby, jak mszyce są jak grzyby. Dlaczego tak jest?
Po pierwsze, mechanizm przenoszenia poziomego istnieje w przyrodzie tak długo, jak istnieje samo życie. A na przykładzie mszyc doskonale widać, że taki transfer genów miał na celu właśnie zwiększenie zdolności adaptacyjnych organizmów do warunków środowiskowych (czerwone są mniej widoczne na niektórych częściach roślin). A inżynierowie genetyczni w tym sensie nie wymyślili nic nowego. Pomidory z genami ryb arktycznych mają zwiększoną tolerancję na zimno, co pozwala na ich uprawę w regionach północnych.
Po drugie, pomimo możliwości transferu genetycznego, nie zaobserwowaliśmy jeszcze unifikacji (jednorodności) genomu wszystkich żywych organizmów na planecie. Stabilność systemu biologicznego, jakim jest komórka i organizm, jest wystarczająco wysoka, aby ograniczyć niewydajny transfer genów. Ale jednocześnie to właśnie ten transfer jest narzędziem ewolucji biologicznej, która prowadzi do bioróżnorodności. Nie minie więc dużo czasu, zanim niedźwiedzie będą wyglądać jak latawce, a psy jak kameleony.
