Nuo tada, kai buvo atrastas toks reiškinys kaip horizontalus genų perdavimas, būtent ne iš tėvų į palikuonis, visas mūsų planetos gyvasis pasaulis buvo vaizduojamas kaip viena informacinė sistema. Ir šioje sistemoje tampa įmanoma pasiskolinti sėkmingą vienos rūšies evoliucinį išradimą iš kitos. Kas yra vertikalus ir horizontalus genų perdavimas, kokie šio proceso mechanizmai ir pavyzdžiai organiniame pasaulyje – visa tai straipsnyje.
Kaimyno genai
Visi žino, kad genus gauname iš savo tėvų. Ir jie yra iš savo tėvų. Tai vertikalus perkėlimas. Ir jei staiga įvyksta mutacija, kuri pasirodo esanti naudinga išlikimui ar prisitaikymui, ir įsitvirtins populiacijos genome, rūšis įgis pranašumų kovoje už būvį.
Tuo pačiu metu žmogus turi savo genus,amarai turi savo, o rykliai – savo. Jiems beveik neįmanoma patekti tarp rūšių. Tačiau kartais taip nutinka – tai horizontalus genų perdavimas.
Štai ką daro šiuolaikinė genų inžinerija. Genetiškai modifikuoti organizmai yra tokio genų perdavimo rezultatas (pavyzdžiui, šviečiantis tardigradas aukščiau esančioje nuotraukoje). Tačiau gamtoje šis reiškinys egzistuoja jau seniai.
Klausimo esmė
Vertikalus genų perkėlimas yra paveldimos medžiagos perdavimo iš tėvų formų į dukterinius organizmus reiškinys.
Horizontalus genų perkėlimas yra natūrali situacija, kai genai perkeliami iš vieno suaugusio organizmo į kitą. Tuo pačiu metu objektyviai egzistuoja du organizmai, o kartais jie priklauso skirtingoms biologinėms rūšims.
Horizontalaus genų perdavimo bakterijose pavyzdys yra atsparumo genų perkėlimas iš vienos bakterijų padermės į kitą.
Būtinos sąlygos
Norint suprasti šį reiškinį, būtina žinoti sąlygas, kuriomis toks perkėlimas iš esmės įmanomas, būtent:
- Būtina turėti tarpininką genų „pernešimui“iš vienos ląstelės į kitą, iš vieno organizmo į kitą.
- Turi būti molekulinis mechanizmas, kuris leistų svetimus genus įterpti į šeimininko genų rinkinį.
Šias sąlygas gali atitikti retrovirusai ir kiti transpozonai (DNR elementai). Ir būtent tokius horizontalaus genų perdavimo metodus šiandien naudoja genų inžinerija.
NorsŠiandien tokio genų perdavimo mechanizmai tik tiriami, be virusų toks perkėlimas gali vykti ir laisvų dezoksiribonukleino rūgščių (transposonų) sekcijų pagalba, kurios į organizmą patenka paprasto įvežimo būdu arba su parazitiniais organizmais. Pastarasis gali pakeisti ne tik šeimininko genetinį aparatą, bet ir jo ekologinę vietą biocenozės sistemoje.
Fonas
Atsparumo antibiotikams genų perkėlimas tarp skirtingų bakterijų padermių pirmą kartą buvo aprašytas 1959 m. Japonijoje.
Jau dešimtojo dešimtmečio viduryje molekuliniai biologai įrodė, kad horizontalus genų perdavimas prokariotuose ir eukariotuose buvo susijęs su evoliuciniu gyvybės vystymusi mūsų planetoje.
2010 m. buvo paskelbtas profesoriaus Cedric Feschott tyrimas, kuriame pateikta oposumo ir saimirių beždžionių genomo analizė. Juos įkando vienos rūšies blakės. Žinduolių genomuose buvo rastas transpozonas, turintis 98% tapatybę su vabzdžiais. Jūsų žiniai, šios klaidos graužia ne tik beždžiones ir oposumus.
Nuo šiol hipotezė apie horizontalų genų perdavimą tarp skirtingų organizmų sričių tapo nauja biologijos paradigma.
Spalvotos klaidos
Ir jei horizontalus genų perdavimas bakterijose pastaruosius 30 metų biologams nekėlė abejonių, tai jo galimybė daugialąsčiuose organizmuose sukėlė daug klausimų. Būtent tada biologų dėmesį patraukė paprastasis amaras, kuriameyra žalios ir raudonos kūno spalvos asmenų.
Išanalizavus pigmentus, suteikiančius spalvą raudoniems individams, nustatyta, kad yra karotinoidų – augalinių pigmentų. Iš kur amarai gavo genų, būdingų tik augalų organizmams? Šiandien vabzdžių genomo sekos nustatymas tyrėjams yra gana paprastas dalykas. Taip buvo nustatyta, kad už raudonojo pigmento sintezę atsakingų amarų genai yra visiškai identiški kai kurių grybų, kurie parazituoja amarų organizme nesukeldami jokios matomos žalos, genams.
Greičiausiai amarų evoliucijos aušroje (maždaug prieš 80 milijonų metų) įvyko genetinės mašinos gedimas ir grybelio genai buvo įtraukti į vabzdžių genomą.
Evoliucija ir biologinė įvairovė
Visa filogenetinė organinio pasaulio sistematika remiasi Darvino divergencijos samprata. Jo esmė tokia: kai tik tarp rūšies populiacijų įvyksta reprodukcinė izoliacija, galima kalbėti apie specifikacijos procesą. Ir jau dvi rūšys toliau vystosi remiantis natūralia atranka ir atsitiktinėmis mutacijomis.
Horizontalaus genų perdavimo tarp rūšių ir didesnių taksonų atradimas tik įrodė, kad per tokį trumpą erdvės ir laiko periodą (4 milijardus metų) gyvoji medžiaga mūsų planetoje iš vienaląsčių formų gali virsti labai organizuota daugialąstele.
Taigi visa planetos biota tampa viena laboratorija naujų paveldimų bruožų kūrimui, o tai yra horizontalus genų judėjimasgali ir toliau žymiai paspartinti evoliucijos procesą.
Paskolinkime keletą genų
2015 m. genetikas Alistairas Crispas iš Kembridžo (JK) ištyrė 12 rūšių vaisinių muselių Drosophila, 4 rūšių apvaliųjų kirmėlių ir 10 primatų rūšių (iš kurių viena yra žmogus) genomus. Mokslininkas ieškojo „svetimų“DNR dalių.
Tyrimų rezultatai patvirtino, kad genomuose yra 145 regionai, kurie yra horizontalaus genų perdavimo eukariotuose rezultatas.
Vieni iš šių genų dalyvauja b altymų ir lipidų apykaitoje, kiti – imuniniuose atsakuose. Svarbiausia, kad buvo galima nustatyti galimus šių genų donorus. Paaiškėjo, kad tai protistai (paprasčiausi eukariotai), bakterijos (prokariotai) ir grybai.
O kaip su mumis
Jau patikimai žinoma, kad per horizontalų genų perdavimą žmonėms atsirado genai, atsakingi už kraujo grupes AB0.
Dauguma įrodymų apie tokį genų perdavimą primatams yra labai senos kilmės, datuojami bendru protėviu su kitais chordatais.
Pagal naujausius tyrimus, placentos susidarymas žmonėms taip pat yra atsakingas už viruso geną, kuris buvo užfiksuotas kažkur placentos gyvūnų formavimosi aušroje.
Žmogaus genomo sekos nustatymo rezultatai parodė, kad jame yra apie 8 % viruso genomų gabalėlių, kurie vadinami „miegančiais genais“.
Mutantų amžius
Štai messiaubo istorijų, kuriomis gąsdina žalieji aktyvistai, tema. O jeigu įsijungs šie „miegantys“genai? O gal erkė įkando žmogų ir įtraukia į jo genomą kažkokį siaubą? O gal valgome genetiškai modifikuotas sojas ir tampame mutantais? Bet juk per 4 milijardus metų biologinė įvairovė planetoje tik didėjo, o jūs ir aš vis dar esame šiek tiek panašūs į banginius, kaip amarai yra kaip grybai. Kodėl taip?
Pirma, horizontalaus perdavimo mechanizmas egzistuoja gamtoje tol, kol egzistuoja pati gyvybė. O amarų pavyzdžiu visiškai aišku, kad tokiu genų perkėlimu buvo siekiama kaip tik padidinti organizmų prisitaikymą prie aplinkos sąlygų (tam tikrose augalų dalyse raudoni mažiau matomi). Ir genų inžinieriai šia prasme nieko naujo nesugalvojo. Pomidorai, turintys arktinių žuvų genų, yra labiau atsparūs šalčiui, todėl juos galima auginti šiauriniuose regionuose.
Antra, nepaisant genetinio perdavimo galimybės, mes dar nepastebėjome visų planetos gyvų organizmų genomo unifikacijos (vienodumo). Biologinės sistemos, kuri yra ląstelė ir organizmas, stabilumas yra pakankamai didelis, kad apribotų neefektyvų genų perdavimą. Tačiau tuo pat metu būtent šis perkėlimas yra biologinės evoliucijos įrankis, vedantis į biologinę įvairovę. Taigi neilgai trukus lokiai atrodys kaip aitvarai, o šunys – kaip chameleonai.
