Obcy w genomie
Paweł Szablewski | 2007-09-28
Teoria poziomego transferu genów poruszana była już kilkukrotnie. Polega na przenoszeniu fragmentów DNA pomiędzy nie spokrewnionymi organizmami. Zjawisko to dobrze udokumentowane jest dla mikroorganizmów.
Rozważa się kilka mechanizmów zachodzenia procesu poziomego transferu genów (inaczej: horyzontalny transfer genów). Za najbardziej popularny uchodzi teoria pobierania przez mikroorganizmy fragmentów martwego DNA z otoczenia, dla potrzeb naprawy uszkodzeń w własnym materiale genetycznym. Innym sposobem ma być wymiana plazmidów, małych kolistych form DNA u bakterii. Ta forma wymiany informacji genetycznej ma się przyczyniać do szybkiego uodparniania się bakterii na antybiotyki. Jeszcze inna teoria zakłada działanie wirusów. W trakcie namnażania, w komórce gospodarza, własnego DNA, wycinanie go nie zawsze jest dokładne. Do genomu wirusa zostają doczepione fragmenty DNA gospodarza i razem przeniesione na inny organizm.
Proces ten próbuje się także porównać do teorii powstania mitochondriów (komórkowych elektrowni), czy chloroplastów u roślin. Prawdopodobnie w odległej przeszłości były one osobnymi organizmami. Po wchłonięciu przez komórkę pełnią rolę ważnych narządów odpowiedzialnych za produkcję energii. Funkcjonowanie ich regulowane jest częściowo przez ich własne DNA, a częściowo przez DNA jądrowe.
Prawdziwym labiryntem w tej dziedzinie są mikroorganizmy. Wiele z nich to pasożyty, np. fagi atakujące bakterie. Ponieważ ich DNA jest bardzo podobne do siebie często może dochodzi do wymieszania wspólnych informacji. Prace dokumentujące takie przypadki przeprowadził zespół pod kierunkiem Grahama Hatfulla z Pittsburgha na bakteriach rodzaju Mycobacterium i atakujących je fagach.
DNA obcych organizmów spotyka się także w genomie organizmów wyższych, u zwierząt. Do tej pory brakuje jednak jednoznacznych dowodów potwierdzających ten mechanizm. Natomiast pokazuje się coraz więcej prac wskazujących ślady zachodzenia tego procesu. Jeśli DNA takie dostanie się do komórek rozrodczych, zaczyna być elementem dziedzicznym, przekazywanym następnym pokoleniom. Podejście takie może całkowicie zmienić wiele założeń ewolucyjnych.
Jak pokazują ostatnie badanie proces ten może dotyczyć nawet dużych fragmentów DNA. Taki stan zaobserwowali badacze z Uniwersytetu w Rochester i Instytutu J. Craiga Ventera, a wyniki opublikowano w Science.
Opisali oni przykład bakterii wolbachi, atakującej głównie bezkręgowce (owady, nicienie) i żyjącej w cytoplazmie ich komórek. W tym przypadku oznaki ich infekcji znaleziono u gatunku muszki (Drosophila ananassae). Po podaniu antybiotyków bakteria znikła. Szczegółowe badania wykazały jednak, iż prawie cały genom zniszczonej bakterii został przejęty przez komórki owada. Co więcej w ogóle on nie przeszkadzał w prawidłowym funkcjonowaniu tych komórek. Naukowcy doliczyli się w genomie muszki 1206 genów bakterii z czego 28 było aktywnych, łącznie ponad milion par zasad. Nie udało się jednak znaleźć białek przez nie produkowanych. Jak podejrzewają badacze przyczyną przejęcia obcego DNA mogą być próby naprawy uszkodzonego DNA owada. W tym przypadku mógł wykorzystać pozostałości z pasożytującej go bakterii.
Dalsze badania zespołu ujawniły, że DNA tego pospolitego pasożyta bezkręgowców występuje także w genomie nicieni, os i komarów. Oznaczałoby to, że przenikanie DNA bakteryjnego do genomu organizmów wyższych jest dużo powszechniejsze niż sądzono do tej pory.
Pewne założenia co do częstości występowania horyzontalnego transferu genów uzyskali naukowcy z UC Berkeley i Lawrence Berkeley National Laboratory. Wykonali oni analizy ponad 8000 różnych grup genów odpowiedzialnych za produkcję ponad miliona białek. Z oszacowanych wartości wywnioskowali, iż u organizmów najprostszych, bakterii Archea ślady poziomego transferu genów występują u większości osobników, u innych bakterii u 30-50% osobników, a w komórkach organizmów eukariotycznych (posiadających jądro komórkowe od jednokomórkowych glonów przez rośliny do ludzi włącznie) u 10 %.
DNA bakteryjne często jest znajdowane podczas odczytywania sekwencji genomu organizmów wyższych, w tym i u ludzi. Do tej pory jednak zawsze było traktowane jako ślad zanieczyszczenia próby i odrzucane przez programy komputerowe.
Pewne ślady mogące świadczyć o horyzontalnym transferze genów u ludzi dostarczyły badania w ramach sekwencjonowania ludzkiego genomu (Human Genome Project). Naukowcy dopatrzyli się 223 genów należących do bakterii. Co ciekawsze nie występują one u muszki owocowej, nicieni, czy drożdży. Wydaje się, że spotykane są tylko w genomie kręgowców i są dość nowym nabytkiem.
Teoria poziomego transferu genów pojawia się bardzo często w próbach tłumaczenia pojawiania się pewnych genów nagle, nie wiadomo skąd. Każdy gen, czy odcinek DNA powinien wyewulować od swoich przodków. Jego wstępne wersje są więc utrwalone w ich genomie. Dlatego nagłe pokazanie się w pełni funkcjonalnych genów, bez śladów ich przeszłości, albo obecnych u bardzo odległych niespokrewnionych grup organizmów, nasuwa przypuszczenia, iż zaszły tu procesy inne niż znane z praw Darwina.
Źródła:
- eurekalert.org, 30.08.2007, One species* entire genome discovered inside another*s,
- eurekalert.org, 08.03.2007, Genes and groups of genes commonly shared between species, studies show.