Ryby żyjące w oceanach arktycznych i antarktycznych wykształciły pomysłowe strategie zapobiegania zamarzaniu krwi i tkanek w niegościnnych wodach polarnych. Jedną z takich strategii adaptacyjnych jest ewolucja genów wytwarzających białka zapobiegające zamarzaniu. Jednak ponad dekadę temu naukowcy byli zdumieni odkryciem, że śledzie i stynki – dwa zupełnie różne gatunki – mają zakodowane dokładnie to samo białko zapobiegające zamarzaniu w swoich genomach, co wskazuje na transfer genów między nimi. Przykłady takie jak ten nasuwają pytanie: w jaki sposób geny mogą „przeskakiwać” między zupełnie różnymi gatunkami? To rzadkie zjawisko, znane jako horyzontalny transfer genów (HGT), od dawna intryguje biologów ewolucyjnych. I pomimo odkrycia nowych przypadków HGT we wszystkich gałęziach życia na przestrzeni lat, mechanizmy odpowiedzialne za te transfery w dużej mierze pozostały nieznane.
Teraz naukowcy z grupy Alejandro Burga w IMBA nie tylko łapią zdarzenie HGT w królestwie zwierząt na gorącym uczynku, ale także identyfikują jednego z jego długo poszukiwanych wektorów. Za pomocą genetycznej pracy detektywistycznej Burga i jego zespół wykazali zdarzenie HGT między dwoma izolowanymi reprodukcyjnie gatunkami robaków, które genetycznie różnią się od siebie tak, jak ludzie różnią się od ryb. Co ważniejsze, mogli zidentyfikować przyczynę: rodzinę wirusopodobnych transpozonów zwanych Mavericks.
Przybijanie winowajcy: Mavericks jako wektory HGT
„Mavericks były już znane jako klasa transpozonów, ale nasza praca po raz pierwszy łączy je z HGT” – mówi lider grupy IMBA Alejandro Burga, autor korespondujący z badaniem. „Wiedzieliśmy, że HGT zachodzi między gatunkami zwierząt, ale nie mieliśmy pojęcia, w jaki sposób. Po raz pierwszy mogliśmy definitywnie ustalić winowajcę” – dodaje współautorka Sonya Widen, doktor habilitowany w Burga lab.
Kiedy Mavericks odkryto w połowie 2000 roku, początkowo uważano, że są dużymi transpozonami, samolubnymi elementami genetycznymi, które przeskakują i rozmnażają się w genomie kosztem gospodarza. W większości gałęzi eukariontów, w tym u ludzi, szybko odnotowano istnienie indywidualistów, co dowiodło, że powstały one dawno temu.
Transpozony i wirusy, tygiel natury?
Wkrótce zaczęły pojawiać się dowody na to, że Mavericks zawiera geny kodujące elementy wirusowe, takie jak kapsyd i polimeraza DNA. “Ewolucja transpozonów i wirusów jest ściśle ze sobą powiązana” – mówi Burga. Jednak kapsyd i polimeraza DNA nie wystarczą, aby transpozon mógł wyskoczyć z genomu gospodarza i zainfekować komórki zupełnie innego gospodarza. Teraz naukowcy z IMBA znaleźli brakujące ogniwo: Mavericks w genomach robaków nabyli tak zwane białko fuzogenu, białko transbłonowe, które pośredniczy w fuzji błon między różnymi komórkami. Nabywając fuzogen, autorzy wysuwają hipotezę, że robak Mavericks stał się zdolny do tworzenia wirusopodobnych cząstek, które mogą łączyć się z błonami komórkowymi innego organizmu i infekować je. „Według naszej wiedzy żaden fuzogen nie został wcześniej zgłoszony w Mavericks. Dlatego uważamy, że robak Mavericks mógł pobrać swoją sekwencję z wirusa” – mówi Widen. „Transpozony i wirusy można postrzegać jako tygiel natury. Ich związek może mieć nieprzewidywalne reperkusje i prowadzić do innowacji genomicznych” – mówi Burga.
Wykazanie znaczenia HGT u robaków
W niniejszym badaniu zespół IMBA kierowany przez Alejandro Burgę i współautorów, Sonyę Widen i Israela Campo Besa, byłego studenta studiów magisterskich w laboratorium w Burga, natknął się na HGT „całkowicie przez przypadek”, jak mówi Widen. W rzeczywistości zespół badał ewolucyjne pochodzenie samolubnego elementu nicienia Caenorhabditis briggsae. Wykonując pewną pracę detektywistyczną, byli w stanie prześledzić sekwencję tego samolubnego genu z powrotem do innego nicienia, C. plicata, który nosił prawie identyczną kopię. To odkrycie jest zaskakujące, ponieważ C. briggsae i C. plicata to dwa gatunki izolowane reprodukcyjnie. „Ich genomy są tak samo rozbieżne jak genomy ludzi i ryb, a mimo to oba mają prawie identyczny gen, który wyraźnie wykazuje cechy niedawnego ewolucyjnie zdarzenia HGT” – mówi Campo Bes. „Uważnie przyglądając się genomowi C. plicata, odkryliśmy, że sekwencja przodków, która dała początek samolubnemu genowi w C. briggsae, była osadzona wewnątrz Mavericka w C. plicata. Fakt, że ten nowo wprowadzony gen następnie ewoluował w nowy samolubny gen w C. briggsae pokazuje wpływ HGT na ewolucję genomu”, wyjaśnia Widen. Następnie zespół IMBA wykazał, że Mavericks są odpowiedzialne za dziesiątki niezależnych zdarzeń przenoszenia HGT między gatunkami robaków należących do różnych rodzajów i występujących na całym świecie.
Znaczenie rolnicze i medyczne
Naukowcy z IMBA argumentują, że związek między transpozonami i wirusami jest kluczowym czynnikiem pośredniczącym w HGT. Choć wciąż trudno im uwierzyć w swój sukces, dostrzegają wpływ, jaki ich odkrycia mogą mieć na rozwiązanie tajemnic HGT. „Byłem przekonany, że patrzymy na przypadek HGT, kiedy po raz pierwszy zobaczyliśmy te wyniki w laboratorium, ale byłem też pewien, że nigdy nie dowiemy się, jak to się stało. Jednak gwiazdy się wyrównały” – mówi Burga, który również przewiduje, że Mavericks i podobne wirusopodobne elementy transpozycyjne mogą pośredniczyć w HGT u kręgowców i innych eukariontów. Na koniec zespół przewiduje możliwe zastosowania zarówno w laboratorium, jak i jako środki zwalczania szkodników przeciwko pasożytniczym gatunkom robaków: zastosowań laboratoryjnych i badawczych, takich jak manipulacja genetyczna niemodelowych nicieni, taki zasób mógłby pozwolić nam w przyszłości na genetyczną modyfikację pasożytniczych gatunków nicieni, które mogą mieć znaczenie w rolnictwie lub medycynie”, podsumowuje Burga.