'Jumping Genes' Komplicere Evolutionsteori med DNA Delt over Arter

DNA kan normalt lide at følge regler. DNA-strenger kopieres noget trofast, og kopierne sendes fra forældre til afkom og derved driver evolution som vi kender det. Men ifølge nye estimater er halvtreds procent din genom også sammensat af renegad DNA, der kan lide at hoppe fra art til art. Dette skurkne DNA, forskere skriver i en Genombiologi artikel offentliggjort mandag, har tilfældigt indsat sig i næsten hvert genom på denne planet gennem hele evolutionen af ​​livet. De er alle, der forbliver af en række mystiske begivenheder fra millioner af år siden.

Atma Ivancevic, Ph.D., en postdoktorale neurogenetik og bioinformatikforsker og hovedforfatter af papiret, begyndte at studere ved at forsøge at forklare, hvorfor det samme svindlede DNA kan findes hos dyr, der er så meget forskellige som søpindsvin og mennesker. Det er fastslået, at de fleste arter på jorden deler en stor mængde genetisk materiale - du har sikkert hørt, at mennesker deler omtrent 99 procent af vores DNA med chimpanser - men disse gener er forskellige, siger Ivancevic.

"Hoppende gener" er ikke egentlige gener; de er ikke-kodende stykker af 'junk DNA', "fortæller hun Inverse i en email. "Tænk på dem som genetiske parasitter, hoppe rundt om genomet til selvstændigt at replikere sig selv og til tider hoppe mellem arter."

I løbet af de sidste par år har vi begyndt at forstå funktionen af ​​disse skurkne bits af DNA, men vi ved stadig ikke helt, hvad de gør. Dette er mysteriet bag springende gener: De er brødkrummer af et DNA-spor, spredt gennem livets træ. Nu, takket være dette papir, kan vi endelig finde ud af, hvordan de gjorde sådan et rod.

Vandret overførsel

Ivancevic's undersøgelse viste, at der er to sekvenser af hoppende junk DNA, der kan spores over et stort udvalg af arter, der hedder BovB og L1. Forskere kalder disse mønstre transponible elementer (TE), fordi de "kopier og indsætter" sig tilfældigt gennem dyrene fra dyr fra søpindsvin, til køer, til mennesker. Denne underlige proces, hvor en TE invaderer en anden arts genetiske materiale, kaldes vandret overførsel.

Vores standard forståelse for reproduktion er beskrevet af vertikal overførsel, antagelsen om, at det mest genetiske materiale sædvanligvis afleveres fra moder til barn.

Når du tegner et stamtræ, trækker du typisk børn under deres forældre, og på en måde har gener tendens til at falde sammen med generationer på den måde. Men nogle TE'er bevæger sig vandret på tværs af livets træ "hopper" fra en organisms DNA til en anden gennem en budbringer kaldet en "vektor". Forskere forstår ikke fuldt ud, hvordan processen virker mellem arter, men de har en fornemmelse af, hvad vektorerne kan være.

Nogle organismer, som bakterier, er virkelig gode til vandret overførsel af gener og gør det ofte naturligt uden vektor. Dyr kan ikke gøre det, men de kan være inficeret af bakterier, som derefter kan fungere som vektorer. Papiret antyder et par sandsynlige kandidater til denne messengerrolle, herunder sengebugs, flåter og johannesbræt, og det nominerer også nogle potentielle vandlevende væsener, som østers og havorms. Det er disse vektorer, der sandsynligvis flyttede de to stykker af junk DNA-sekvenser, BovB og L1, på tværs af arter.

Hvad der virkelig er interessant er, hvad der sker, når DNA'et kommer der. Efter en overførselshændelse sker Ivancevic og hendes hold, DNA'et kan replikere hurtigt. For eksempel antages BovB først at være opstået i slanger og derefter "hoppet" til køer via horisontale overførselshændelser for millioner af år siden, hvor den gentages flere gange. Tænk på det som en standard kopi-og-pasta, kun du ramte kontrol-V igen og igen.

"For mig var den mest overraskende ting ikke overførslen, men virkningerne til værtsgenomet efter overførsel," siger Ivancevic. "Nu besidder BovB ca. 25% af kogenom-sekvensen. Det er en enorm ændring!"

Leder du efter store hopp

For at se, hvor langt ind i livets træ, disse sekvenser infiltrerede, undersøgte Ivancevics hold omgenerne af 759 arter. De fandt BovB-sekvensen hos dyr som fjernt relateret til slanger, køer, søpindsvin, flagermus og heste (selv om flagermus og heste havde et lavt antal komplette BovB-sekvenser). L1-sekvensen syntes at være endnu mere udbredt. Mens 79 arter havde BovB-sekvenser, 559 arter havde L1 sekvenser. Historisk set antages L1 kun at overføres vertikalt, så at finde L1-sekvensen i disse forskellige arter var et gennembrud.

BovB har altid fascineret forskere, fordi det skaber "store spring" mellem fjernt beslægtede arter, der viser, at en form for horisontal overførselsbegivenhed fandt sted. Men tidligere analyse viste sig kun nogle få tilfælde, hvor L1-sekvenser lavede disse store hopper, hvilket førte forskere til at konkludere, at L1 sandsynligvis kun var gået lodret ned.

Ved at kaste et bredere net viste Ivancevics hold, at der har været mere genomisk hoppe rundt end vi engang troede. "Brugen af ​​dyr, planter og svampe har virkelig bidraget til at screene så mange genomer som muligt med aktuelle data. Der er ikke mange undersøgelser, der leder efter overførsler i stor skala, "siger hun.

Beviset om, at L1s er til stede i 559 arter, var overbevisende tegn på, at L1s havde lavede disse store spring. Holdet peger på seks tidligere uopdagede L1 "hopper" i marine arter for millioner af år siden som muligt springbræt for dette junk gen til at komme ind i DNA af arter i helt separate kongeriger.

De skriver, at en af ​​disse horisontale begivenheder kunne have slået L1-sekvensen ind i en gammel forfader til "therian" pattedyr - dyr, der ikke lægger æg - mellem 160 og 191 millioner år siden. Derefter kunne sekvensen være gået lodret ned til alle efterkommere af de gamle dyr, herunder måske mennesker. Mens L1 er for det meste fragmenteret og inaktivt hos mennesker, udgør det stadig 17 procent af vores genom.

Resultater som disse illustrerer, hvordan selv de mindste kræfter kan omdanne evolutionen. Måske, for millioner af år siden, kom en af ​​vores fjerneste forfædre ind i et altercation med et havsblodsugende skadedyr - måske var det en havorm - og på en eller anden måde fik en indsprøjtning af tilfældigt DNA. Nu, millioner af år senere, fortsætter disse ændringer inden for os, og vi regner stadig med, hvilke roller de spiller.

"Det viser, hvor meget tilfældige DNA-udvekslinger kan forme vores udvikling," siger Ivancevic.