Jak często geny przeskakują między gatunkami?

Kilka tygodni temu opublikowano artykuł o genetyce, ale dopiero teraz miałem czas go przeczytać. Artykuł jest o zjawisku horyzontalnego transferu genów (HGT), gdzie geny przechodzą między genomami daleko spokrewnionych gatunków. Przykłady obejmują wchłanianie bakterii przez inne gatunki (tak powstały mitochondria, którą to teorię pierwsza wysunęła Lynn Margulis; te mitochondria, kiedyś wolno żyjące bakterie, dodają swoje geny do wchłaniającego je organizmu); transfer genów pigmentu z grzybów do mszyc, co daje mszycom czerwony kolor i, być może, pomaga im się ukryć; i transfer kilku enzymów z bakterii do owadów, co pomaga owadom wykorzystywać nowe rośliny jako pokarm.

 

Lynn Margulis (ur. 5 marca 1938 w Chicago, zm. 22 listopada 2011 w Amherst – biolog amerykańska. Opracowała teorię mówiącą, że mitochondria i chloroplasty w komórkach to pozostałości po żyjących niegdyś w symbiozie bakteriach.

 

Zjawisko HGT jest nazywane “nie-darwinowskim”, ponieważ po prostu Darwin go nie przewidział, ani też nie wyobrażano go sobie we wczesnych dniach “nowoczesnej syntezy ewolucyjnej”. Wbrew jednak niektórym krytykom ewolucji HGT nie unieważnianowoczesnej teorii ewolucji. Transfer genów między daleko spokrewnionymi gatunkami jest bowiem po prostu nowym źródłem zróżnicowania genetycznego – jak mutacja – którego los nadal zależy od tego, czy ten transfer jest korzystny, czy niekorzystny dla gospodarza. W wypadku mszyc, na przykład, częstotliwość nabytych genów pigmentu wzrosła przez dobór naturalny, ale gdyby były szkodliwe, zostałyby wyeliminowane.


Ten rodzaj transferu genu może mieć miejsce na kilka sposobów: przez zjedzenie jednego organizmu przez inny i włączenie następnie DNA tego organizmu do genomu; przez zakaźny transfer mikroorganizmów, po którym następuje jakiś rodzaj inkorporacji; lub po prostu przez wchłonięcie mikroorganizmów do ciała, jak wrotki, które absorbują wodę po tym, jak zostały wysuszone.


Nieczęsty HGT zatem nie rozbija teorii ewolucji, ale rozszerza ją przez pokazanie, że „mutacja” – surowiec ewolucji – może być nabyta w sposób, którego poprzednio nie podejrzewano.


Gdyby jednak HGT był bardzo, bardzo częsty, to całkowicie zatarłby ewolucyjne pokrewieństwo organizmów widziane w ich DNA. Gdyby gatunek Drosophila, na przykład, wielokrotnie otrzymywał geny od mikroorganizmów, a różne gatunki much otrzymywałyby inne geny, to można zupełnie pobłądzić przy używaniu sekwencji DNA, by zobaczyć ich pokrewieństwo. Kompletnie pomiesza ci to filogenezę, jeśli włączysz horyzontalnie nabyty DNA od niespokrewnionych gatunków w algorytmy tworzące drzewa rodowe. To była podstawa niesławnej okładki „New Scientist” z tytułem “Where Darwin Went Wrong”. „Błędem” było rzekomo, że Darwin wyobrażał sobie rozgałęziony krzak życia, ale HGT mogło znaczyć, że gałęzie zostają wymazane przez transfer DNA od odlegle spokrewnionych gatunków i nie da się w ogóle zdefiniować krzaka.


Na szczęście dla ewolucjonistów, HGT nie jest zbyt częsty – z pewnością niewystarczająco częsty, by uniemożliwić nam rekonstruowanie ewolucyjnego pokrewieństwa, co naukowcy zrobili niedawno dla rodzin ptaków (patrz tutaj). Okrzyki, że “Darwin mylił się!” lub “Teoria ewolucji jest obalona!” są po prostu mylne. Rozgałęziający się krzew życia jest nadal bezpieczny, chociaż są kawałki kory, które przemieszczają się między gałęziami.


Nowy artykuł w “Genome Biology” Alastaira Crispa i in. (odnośnik i link poniżej) jest pierwszą próbą systematycznego zbadania ile jest HGT między trzema grupami organizmów wielokomórkowych (nicieni, much i naczelnych) a prostszymi (grzyby, mikroby, glony). Dokonali skanu genomowych sekwencji DNA gatunków z każdej z tych grup, szukając takich sekwencji genów u nicieni, much i ludzi, które były znacznie bardziej podobne do sekwencji u innych gatunków niż u najbliżej spokrewnionych gatunków wielokomórkowców. Na przykład, mogli znaleźć gen u jednego lub kilku gatunków muszek owocowych, którego sekwencja była znacznie podobniejsza do genu w bakterii niż jakiegokolwiek genu u innych wielokomórkowców. Sugerowałoby to, że ten gen został przeniesiony z bakterii do muszek. (Jest inna możliwość: że ten gen nie jest wynikiem HGT, ale był obecny u wspólnego przodka wszystkich tych gatunków i po prostu zgubiony u wszystkich nielatających gatunków wielokomórkowców. Autorzy jednak wykluczyli taką możliwość.)


Badacze podzielili geny, które przypuszczalnie przeniosły się przez HGT na trzy klasy: A, B i C, różniące się stopniem pewności co do zajścia HGT (tj. stopniem nasilenia podobieństwa DNA między spokrewnionymi i bardzo niespokrewnionymi gatunkami). „A” jest złotej kategorii z bardzo wysokim prawdopodobieństwem HGT, podczas gdy B i C są mniej pewne, ale nadal prawdopodobnie odzwierciedlają HGT.


Crisp i in. pokazali umiarkowaną, ale niezbyt wysoką częstotliwość HGT w dwóch grupach i niską częstotliwość w innej. Wynik sugeruje, że istotnie zachodzi HGT i nie jest niesłychanie rzadki oraz że może dawać wkład do zmiany ewolucyjnej. Poziom HGT nie jest jednak wystarczająco wysoki, by albo wymazać drzewa filogenetyczne, albo sugerować, że powinniśmy zrewidować teorię, by stwierdzić, że zmienność genetyczna częściej pochodzi z HGT niż ze zwykłych mutacji w organizmach.


Ważne odkrycia:

  • Najpierw przypomnienie: naczelne mają z grubsza 20 tysięcy genów, muszki owocowe 15 tysięcy, a nicień Caenorhabditis około 11 tysięcy. Jak widać, różnica w liczbie genów u tych gatunków nie jest duża: ewolucjoniści i biolodzy rozwoju byli zaskoczeni tymi danymi, kiedy pojawiły się po raz pierwszy. Wydajemy się być znacznie bardziej skomplikowani niż muchy, ale nie mamy dużo więcej genów. Różnica może polegać na tym, jak te geny są używane, to jest, na regulacji dość stałej liczby genów.
  • Ile zaszło HGT? U naczelnych liczba genów, które przeniosły się przez HGT w klasach A, B i C wynosi odpowiednio 32, 79 i 109. U Drosophila jest to 40, 25 i 4. U nicieni 68, 127 i 173. Jest znacznie mniej HGT u much niż w innych grupach, ale nadal rozmiary HGT są tylko umiarkowane u robaków i u naczelnych: około 0.2%- 1.5%, zależnie od gatunku i klasy genów. Nie jest to wystarczająco dużo, by transfer stanowił poważny problem przy tworzeniu drzew filogenetycznych.
  • Większość genów przeniesionych we wszystkich trzech grupach to geny produkujące enzymy, co ma sens, ponieważ dają one natychmiastowo nowe funkcje otrzymującemu je organizmowi. Najczęściej przenoszone geny wpływają na układ odpornościowy, metabolizm lipidów, modyfikację innych dużych cząsteczek, białka tworzone przez organizmy w stresie i działalność przeciwutleniania. To dotyczy zarówno robaków, jak much i naczelnych.  
  • Co ciekawe, jeden z genów, który mógł być przeniesiony horyzontalnie, to gen grup krwi Landsteinera u naczelnych: gen produkujący różne antygeny w czerwonych krwinkach, które dają grupy krwi A, B, AB lub O.
  • Wreszcie, przez umieszczenie przypuszczalnie przeniesionych genów na drzewie rodzinnym wielokomórkowców ustalili, że transfer genów jest zarówno pradawny, jak trwający nadal: geny HGT były nabywane zarówno w prastarych częściach filogenezy grupy, jak w bliższych czasom obecnym: na przykład, w linii rodowej tylko jednego gatunku naczelnych – co sugeruje niedawny HGT, od czasu, kiedy ten jeden gatunek oddzielił się od innych naczelnych.

Skąd pochodzą geny przeniesione do naczelnych, robaków i much? Autorzy dostarczają poręcznego wykresu:

 

Odbiorcy są w kolumnie po lewej stronie, grupy dawców na dole. Jak widać, większość genów pochodzi od mikrobów: bakterii i protistów. Nie jest to zaskakujące, ponieważ te organizmy mogą przekazywać geny albo przez połknięcie ich, albo zakażenie.


W wyniku mamy nowe odkrycia z kilkoma niespodziankami – gen grup krwi ABO nadal mnie zdumiewa i wolałbym mieć więcej potwierdzeń tego odkrycia – ale nic z tego nie zagraża teorii ewolucyjnej. I chociaż moim zdaniem zakres HGT jest niski, szczególnie u much, autorzy próbują argumentować, że jest dość wysoki. Jak piszą w zakończeniu artykułu:


Chociaż zaobserwowane rozmiary nabywania horyzontalnie przekazywanych genów u eukariontów są ogólnie niższe niż u prokariontów, wydaje się, że nie jest to rzadkie zjawisko i HGT przyczynił się do ewolucji wielu, być może wszystkich zwierząt, a proces ten trwa w większości linii rodowych. Od dziesiątków do setek obcych genów ulega ekspresji we wszystkich zbadanych przez nas zwierzętach, włącznie z ludźmi. Większość tych genów dotyczy metabolizmu, co sugeruje, że HGT przyczynia się do biochemicznego zróżnicowania podczas ewolucji zwierząt.  


No cóż, technicznie rzecz biorąc, “173” to prawie dwie “setki”, ale uważam, że rzeczywiste liczby podane powyżej, jak też odsetek genów w genomie, które zostały nabyte przez HGT, pokazują, że nie występują tak powszechnie, jak sugeruje powyższy akapit.  


Niemniej jest wyraźne, że mamy nowe źródło zmienności genetycznej i to takie, które może przyczynić się do ewolucji adaptacyjnej. Pamiętajmy jednak, że częstotliwość transferu HGT jest niska i takie zdarzenia muszą być rzadkie, nie jesteśmy więc upoważnieni do powiedzenia, ani że liczba, ani powszechność wydarzeń HGT jest znacznie wyższa niż liczba nowości genetycznych wytworzonych przez bardziej konwencjonalny proces mutacji zachodzących w genomie w danym gatunku. To dlatego rozgałęziający się krzew życia wydaje się nadal bezpieczny. 

_________

Crisp, A., C. Boschetti, M. Perry, A. Tunnacliffe, and G. Micklem. 2015. Expression of multiple horizontally acquired genes is a hallmark of both vertebrate and invertebrate genomes. Genome Biology 16:50, doi 10.1186/s13059-015-0607-3.


How often do genes move between distantly related species

Why Evolution Is True, 10 kwietnia 2015

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Avatar
O autorze wpisu:

Jerry Allen Coyne (ur. 1949) – amerykański biolog, znany z krytyki koncepcji "inteligentnego projektu". Profesor biologii na Wydziale Ekologii i Ewolucji University of Chicago. Wybitny i aktywny nowy ateista, laureat wyróżnienia Polskiego Stowarzyszenia Racjonalistów "Racjonalista Roku" za rok 2013, stały współpracownik Andrzeja i Małgorzaty Koraszewskich na portalu Listy z naszego sadu.

2 Odpowiedzi na “Jak często geny przeskakują między gatunkami?”

  1. W okrzykach "Darwin się mylił" albo "Teoria ewolucji obalona" itp., które pojawiają się od czasu do czasu na religijnych i konserwatywnych portalach, idzie zawsze o sugerowanie, że teoria ewolucji się nie sprawdza, a za zjawiskami rozwoju w przyrodzie stoi Bóg. Za każdym razem religianci muszą się jednak rozczarować. Opisywane zjawisko jest zawsze jak najbardziej naturalne, a nie nadnaturalne.  Tak samo jest w przypadku horyzontalnego transferu genów, który jest zjawiskiem całkowicie naturalnym.  Musi to bardzo przygnębiać religiantów i wszelkich religijnych przeciwnikow teorii ewolucji. 

  2. Czytam właśnie drugą część autobiografii Richarda Dawkinsa "Światełko w mroku, moje życie z nauką" i jestem przy ostatnim rozdziale ("Rozplatanie nici z naukowego krosna"), w którym autor omawia pokrótce najważniejsze idee, jakie pojawiały się w jego książkach. Pośród owych idei szczególne miejsce zajmuje tutaj teoria rozszeszonego fenotypu, którą Dawkins uważa za swoją autorską. Głosi ona, że pojęcie "fenotypu" obejmuje nie tylko cechy zewnętrzne organizmu, takie jak wygląd, ilość palców u rąk, wielkość skrzydeł, czy kształt dzioba, ale również wszelkie wytwory, będące wynikiem wrodzonych aktywności organizmów, takie jak gniazdo ptaka, sieć pająka, żeremie bobra, czy nawet staw, który się tworzy w wyniku tamującego wpływu owych żeremi. Dawkins pokazuje również, że pod fenotyp należy podciągnąć także wpływ genów jednego organizmu na zmianę zachowania innego. Na przykład geny kanarka, które pozwalają mu pięknie śpiewać, mają swój wyraz nie tylko w samym śpiewie kanarka, ale również w zmianie aktywności mózgu i układu hormonalnego samicy, które są przez ów śpiew narkotyzowane. Idąc takim tokiem rozumowania, dochodzi w końcu autor do omówienia kwestii innych form oddziaływań jednych organizmów na drugie, ostatecznie skupiając się na zjawisku pasożytnictwa. Podaje tutaj przykład pasożyta, jakim jest przywra, stacjonująca w organizmie ślimaka. Działa ona w ten sposób, że – w zależności od własnych potrzeb – przekształca ślimaczą muszlę, czyniąc ją cieńszą, bądź grubszą, w zależności od własnych, egoistycznych potrzeb. Ślimak jest ostatecznym żywicielem przywry. Przydaje się on jej tylko tak długo, jak długo żyje on sam. Ewentualny sukces rozrodczy ślimaka jest dla przywry nieistotny, dlatego tak eksploatuje ona jego ciało, aby ten mógł żyć dostatecznie długo, by przywra mogła zrealizować własne cele reprodukcyjne, niekoniecznie sprzyjając jego (ślimaka) rozmnażaniu. Istnieje jednak, jak zauważa Dawkins, inna STRATEGIA pasożytnictwa. O ile bakteria choroby zakaźnej swoje kopie  rozpropagowywać może, działając na organizm ssaka tak, aby ten, kichając, uwalniał je na zewnątrz, o tyle istnieją pasożyty, które "nauczyły się" przekazywać własne kopie bezpośrednio potomstwu żywiciela. I w interesie genów owych pasożytów leży już sukces rozrodczy żywiciela. Podany przez pana Coyne'a przykład endosymbiozy, na drodze której powstały mitochondria, jest takim właśnie przypadkiem, gdy oto pewien organizm jednokomórkowy wniknął w inny, stając się jego pasożytem, ale zamiast wyeksploatować go dla własnych celów (zamiast skorzystać z jego składników budulcowych i z nich zbudować swoje kopie), "postanawia" pozostać w ciele żywiciela do momentu, gdy ten (komórka) rozpocznie podział. Pasożyt rozpocznie własny podział razem z nią i każdej z jej połówek odda po jednej ze swoich własnych. I tutaj pojawia się kwestia ewentualnej "darwinowskości" takiego oto "horyzontalnego transferu genów". Otóż z "darwinowskością" mamy do czynienia wtedy, gdy zachodzi DOBÓR NATURALNY. To właśnie dobór naturalny "uzna", czy tego rodzaju współżycie będzie, czy też nie będzie zdolne istnieć na dłuższą metę w danym środowisku. W przypadku związku pradawnego prokariota, mającego zdolność oddychania tlenowego z żywicielem, który tej zdolności nie posiadał, dobór naturalny zadecydował na "tak".
    We wcześniejszym rozdziale wspomnianej autobiografii, w której autor opowiada o swojej karierze Profesora w katedrze Public Understanding of Science uniwersytetu w Oxfordzie, pojawia się opis pewnej konferencji, na której Dawkins miał okazję spierać się z grupą rosyjskich lingwistów. Biolog zauważył mianowicie, że istnieje kluczowa różnica między ewolucją genetyczną a językową: "gdy już dojdzie do podziału jakiegoś gatunku na dwa potomne (zwykle przyczyną jest rozdzielanie geograficzne albo przypadek) i gdy dywergencja przekroczy etap możliwości zapłodnienia przedstawiciela drugiej grupy, to powrót jest niemożliwy. Od tej chwili dwie pule genowe, które wcześniej mieszały się w procesie rozmnażania płciowego, nigdy już się nie zmieszają, nawet jeśli dwa gatunki będą żyły obok siebie." Wskazując na ową różnicę (w przypadku ewolucji językowej dwa rozdzielone języki nadal mogą z siebie nawzajem – po ponownym spotkaniu – czerpać), Dawkins twierdzi, że lingwiści, któży uważają, że są w stanie zrekonstruować najstarsze z wymarłych praprzodków współczesnych języków, będą mieli jednak problem właśnie tlatego, że w przeciwieństwie do drzewa ewolucji biologiczne, drzewo ewolucji językowej nie jest w tak prosty sposób (dychotomicznie) rozgałęzione. 
    Problem o którym pisze Coyne, że HGT mogłoby nieco (choć nie jego zdaniem) "popsuć" prostą strukturę drzewa ewolucji biologicznej, to chyba właśnie ten sam problem, który Dawkins odkrywa w przypadku drzewa ewolucji języków. Dawkins, pisząc w następnym rozdziale o rozrodczych związkach pasożytów z żywicielami chyba tego nie zauważa…

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *