Siden oppdagelsen av et slikt fenomen som horisontal genoverføring, nemlig ikke fra foreldre til avkom, har hele den levende verden på planeten vår vært representert som et enkelt informasjonssystem. Og i dette systemet blir det mulig å låne en vellykket evolusjonær oppfinnelse av en art av en annen. Hva er vertikal og horisontal genoverføring, hva er mekanismene for denne prosessen og eksempler i den organiske verden - alt dette er artikkelen.
Nabogener
Alle vet at vi får genene våre fra foreldrene våre. Og de er fra foreldrene sine. Dette er den vertikale overføringen. Og hvis det plutselig oppstår en mutasjon som viser seg å være nyttig for overlevelse eller tilpasning, og får fotfeste i populasjonens genom, så vil arten få fordeler i kampen for tilværelsen.
Samtidig har en person sine egne gener,bladlus har sine egne, og haier har sine egne. Det er nesten umulig for dem å komme seg mellom arter. Men noen ganger skjer det – dette er horisontal genoverføring.
Dette er hva moderne genteknologi gjør. Genmodifiserte organismer er resultatet av slik genoverføring (for eksempel den lysende tardigraden på bildet ovenfor). Men i naturen har dette fenomenet eksistert lenge.
Kjernen i saken
Vertikal genoverføring er fenomenet overføring av arvelig materiale fra foreldreformer til datterorganismer.
Horisontal genoverføring er en naturlig situasjon med overføring av gener fra en voksen organisme til en annen. Samtidig eksisterer det objektivt sett to organismer, og noen ganger tilhører de forskjellige biologiske arter.
Et eksempel på horisontal genoverføring i bakterier er overføring av resistensgener fra en bakteriestamme til en annen.
Nødvendige betingelser
For å forstå dette fenomenet, er det nødvendig å kjenne til betingelsene for at en slik overføring i prinsippet er mulig, nemlig:
- Det er nødvendig å ha et mellomledd for "transport" av gener fra en celle til en annen, fra en organisme til en annen.
- Det må være en molekylær mekanisme som gjør at fremmede gener kan settes inn i vertens gensett.
Disse betingelsene kan godt være oppfylt av retrovirus og andre transposoner (DNA-elementer). Og det er nettopp slike metoder for horisontal genoverføring som genteknologi har tatt i bruk i dag.
SkjøntI dag studeres bare mekanismene for slik genoverføring, i tillegg til virus kan slik overføring også skje ved hjelp av frie seksjoner av deoksyribonukleinsyrer (transposoner), som kommer inn i kroppen gjennom en enkel introduksjon eller med parasittiske organismer. Sistnevnte kan endre ikke bare vertens genetiske apparat, men også dens økologiske plass i biocenosesystemet.
Bakgrunn
Det var overføringen av antibiotikaresistensgener mellom forskjellige bakteriestammer som først ble beskrevet i Japan i 1959.
Allerede på midten av 1990-tallet beviste molekylærbiologer at horisontal genoverføring i prokaryoter og eukaryoter var involvert i den evolusjonære utviklingen av liv på planeten vår.
I 2010 ble det publisert en studie av professor Cedric Feschott, som presenterte en analyse av genomet til opossum- og saimiri-apene. De ble bitt av en slags insekt. I genomene til pattedyr er det funnet en transpozoon som har 98 % identitet med insekter. Til informasjon, disse insektene biter ikke bare aper og opossums.
Fra nå av har hypotesen om horisontal genoverføring mellom ulike domener av organismer blitt et nytt paradigme innen biologi.
Fargerike feil
Og hvis den horisontale genoverføringen i bakterier de siste 30 årene ikke har reist tvil blant biologer, så har dens mulighet i flercellede organismer reist mange spørsmål. Det var da oppmerksomheten til biologer ble tiltrukket av den vanlige bladlusen, derdet er individer med grønn og rød farge på kroppen.
En analyse av pigmentene som gir farge til røde individer avdekket tilstedeværelsen av karotenoider - plantepigmenter. Hvor fikk bladlus gener som er unike for planteorganismer? I dag er sekvensering av insektgenomet en ganske enkel sak for forskere. Slik ble det oppdaget at genene til bladlus som er ansvarlige for syntesen av rødt pigment er helt identiske med de til noen sopp som parasitterer i kroppen til bladlus uten å forårsake synlig skade.
Sannsynligvis var det ved begynnelsen av bladlusutviklingen (for ca. 80 millioner år siden) en svikt i den genetiske maskinen og soppgenene ble bygget inn i insektgenomet.
Evolusjon og biologisk mangfold
All fylogenetisk systematikk i den organiske verden er basert på Darwins begrep om divergens. Dens essens er som følger: så snart reproduktiv isolasjon oppstår mellom populasjoner av en art, kan vi snakke om prosessen med artsdannelse. Og allerede to arter fortsetter å utvikle seg basert på naturlig utvalg og tilfeldige mutasjoner.
Oppdagelsen av horisontal genoverføring mellom arter og større taxa viste bare at i løpet av en så kort rom-tidsperiode (4 milliarder år), kunne levende materie på planeten vår gå fra encellede former til svært organiserte flercellede former.
Dermed blir hele planetens biota et enkelt laboratorium for å skape nye arvelige egenskaper, og det er den horisontale bevegelsen av generkunne og fortsetter å akselerere den evolusjonære prosessen betydelig.
La oss låne noen gener
I 2015 studerte genetiker Alistair Crisp fra Cambridge (UK) genomene til 12 arter av fruktfluer Drosophila, 4 arter av rundorm og 10 arter av primater (hvorav en er et menneske). Forskeren lette etter "fremmede" deler av DNA.
Forskningsresultater har bekreftet tilstedeværelsen av 145 regioner i genomene som er et resultat av horisontal genoverføring i eukaryoter.
Noen av disse genene er involvert i metabolismen av proteiner og lipider, den andre - i immunresponser. Det viktigste var at det var mulig å identifisere sannsynlige givere av disse genene. De viste seg å være protister (de enkleste eukaryotene), bakterier (prokaryoter) og sopp.
Hva med oss
Det er allerede pålitelig kjent at gjennom horisontal genoverføring hos mennesker dukket genene ansvarlige for blodtypen AB0 opp.
De fleste bevisene for slik genoverføring hos primater er av veldig gammel opprinnelse, og dateres tilbake til en felles stamfar med andre akkordater.
I følge nyere studier er dannelsen av morkaken hos mennesker også ansvarlig for genet til viruset, som ble fanget et sted ved begynnelsen av dannelsen av morkakedyr.
Resultatene av sekvensering av det menneskelige genomet viste at det inneholder omtrent 8 % av bitene av virale genomer, som kalles "sovende gener".
The Age of Mutants
Her kommer vi tiltemaet skrekkhistorier som grønne aktivister skremmer med. Hva om disse "sovende" genene slår seg på? Eller biter en flått en person og trekker en slags gru inn i genomet hans? Eller spiser vi genmodifiserte soyabønner og blir mutanter? Men tross alt, i 4 milliarder år, har det biologiske mangfoldet på planeten bare økt, og du og jeg er fortsatt litt som hvaler, som bladlus er som sopp. Hvorfor er det det?
For det første eksisterer mekanismen for horisontal overføring i naturen så lenge livet selv eksisterer. Og på eksemplet med bladlus er det helt klart at slik genoverføring var rettet nettopp mot å øke organismenes tilpasningsevne til miljøforhold (røde er mindre synlige på visse deler av planter). Og geningeniører i denne forstand kom ikke med noe nytt. Tomater med arktiske fiskegener har økt kuldetoleranse, noe som gjør at de kan dyrkes i nordlige strøk.
For det andre, til tross for muligheten for genetisk overføring, har vi ennå ikke observert foreningen (ensartetheten) av genomet til alle levende organismer på planeten. Stabiliteten til det biologiske systemet, som er cellen og organismen, er høy nok til å begrense ineffektiv genoverføring. Men samtidig er det denne overføringen som er verktøyet for biologisk evolusjon, som fører til biologisk mangfold. Så det tar ikke lang tid før bjørner ser ut som drager og hunder ser ut som kameleoner.
