Sinds de ontdekking van een fenomeen als horizontale genoverdracht, namelijk niet van ouders op nakomelingen, wordt de hele levende wereld op onze planeet weergegeven als één enkel informatiesysteem. En in dit systeem wordt het mogelijk om een succesvolle evolutionaire uitvinding van de ene soort door de andere te lenen. Wat is verticale en horizontale genoverdracht, wat zijn de mechanismen van dit proces en voorbeelden in de organische wereld - dit alles is het artikel.
Buurgenen
Iedereen weet dat we onze genen van onze ouders krijgen. En ze zijn van hun ouders. Dit is de verticale overdracht. En als er plotseling een mutatie optreedt die nuttig blijkt voor overleving of aanpassing, en voet aan de grond krijgt in het genoom van de populatie, dan zal de soort voordelen behalen in de strijd om het bestaan.
Tegelijkertijd heeft een persoon zijn eigen genen,bladluizen hebben hun eigen, en haaien hebben hun eigen. Het is bijna onmogelijk voor hen om tussen soorten te komen. Maar soms gebeurt het - dit is horizontale genoverdracht.
Dit is wat moderne genetische manipulatie doet. Genetisch gemodificeerde organismen zijn het resultaat van dergelijke genoverdracht (bijvoorbeeld de lichtgevende tardigrade op de foto hierboven). Maar in de natuur bestaat dit fenomeen al heel lang.
De kern van de zaak
Verticale genoverdracht is het fenomeen van de overdracht van erfelijk materiaal van oudervormen naar dochterorganismen.
Horizontale genoverdracht is een natuurlijke situatie waarbij genen van het ene volwassen organisme naar het andere worden overgedragen. Tegelijkertijd bestaan er objectief gezien twee organismen, en soms behoren ze tot verschillende biologische soorten.
Een voorbeeld van horizontale genoverdracht in bacteriën is de overdracht van resistentiegenen van de ene bacteriestam naar de andere.
Noodzakelijke voorwaarden
Om dit fenomeen te begrijpen, is het noodzakelijk om de voorwaarden te kennen waaronder een dergelijke overdracht in principe mogelijk is, namelijk:
- Het is noodzakelijk om een tussenpersoon te hebben voor het "transport" van genen van de ene cel naar de andere, van het ene organisme naar het andere.
- Er moet een moleculair mechanisme zijn waardoor vreemde genen in de genenset van de gastheer kunnen worden ingevoegd.
Aan deze voorwaarden kan heel goed worden voldaan door retrovirussen en andere transposons (DNA-elementen). En het zijn precies zulke methoden van horizontale genoverdracht die genetische manipulatie vandaag heeft toegepast.
HoewelTegenwoordig worden de mechanismen van dergelijke genoverdracht alleen bestudeerd; naast virussen kan een dergelijke overdracht ook plaatsvinden met behulp van vrije delen van deoxyribonucleïnezuren (transposoons), die het lichaam binnendringen via een eenvoudige introductie of met parasitaire organismen. Dit laatste kan niet alleen het genetische apparaat van de gastheer veranderen, maar ook zijn ecologische plaats in het biocenosesysteem.
Achtergrond
Het was de overdracht van antibioticaresistentiegenen tussen verschillende bacteriestammen die voor het eerst werd beschreven in Japan in 1959.
Te midden van de jaren negentig bewezen moleculair biologen dat horizontale genoverdracht in prokaryoten en eukaryoten betrokken was bij de evolutionaire ontwikkeling van het leven op onze planeet.
In 2010 werd een studie gepubliceerd door professor Cedric Feschott, waarin een analyse van het genoom van de opossum- en saimiri-apen werd gepresenteerd. Ze werden gebeten door een soort insect. In het genoom van zoogdieren is een transpozoon gevonden die voor 98% overeenkomt met insecten. Ter informatie: deze insecten bijten niet alleen apen en opossums.
Vanaf nu is de hypothese van horizontale genoverdracht tussen verschillende domeinen van organismen een nieuw paradigma van de biologie geworden.
Kleurrijke insecten
En als de horizontale genoverdracht in bacteriën de afgelopen 30 jaar geen twijfel heeft doen rijzen bij biologen, dan heeft de mogelijkheid ervan in meercellige organismen veel vragen doen rijzen. Het was toen dat de aandacht van biologen werd getrokken door de gewone bladluis, waarin:er zijn individuen met een groene en rode kleur van het lichaam.
Een analyse van de pigmenten die kleur geven aan rode individuen onthulde de aanwezigheid van carotenoïden - plantpigmenten. Waar haalden bladluizen genen vandaan die uniek zijn voor plantenorganismen? Tegenwoordig is het sequencen van het insectengenoom een vrij eenvoudige zaak voor onderzoekers. Zo werd ontdekt dat de genen van bladluizen die verantwoordelijk zijn voor de synthese van rood pigment volledig identiek zijn aan die van sommige schimmels die parasiteren in het lichaam van bladluizen zonder zichtbare schade aan te richten.
Hoogstwaarschijnlijk was er aan het begin van de evolutie van bladluizen (ongeveer 80 miljoen jaar geleden) een storing in de genetische machine en werden de schimmelgenen ingebouwd in het insectengenoom.
Evolutie en biodiversiteit
Alle fylogenetische systematiek van de organische wereld is gebaseerd op Darwins concept van divergentie. De essentie is als volgt: zodra reproductieve isolatie plaatsvindt tussen populaties van een soort, kunnen we praten over het proces van soortvorming. En al twee soorten blijven evolueren op basis van natuurlijke selectie en willekeurige mutaties.
De ontdekking van horizontale genoverdracht tussen soorten en grotere taxa bewees alleen dat levende materie op onze planeet in zo'n korte ruimte-tijd (4 miljard jaar) van eencellige naar sterk georganiseerde meercellige vormen kon gaan.
Zo wordt de hele biota van de planeet één laboratorium voor het creëren van nieuwe erfelijke eigenschappen, en het is de horizontale beweging van genenkan en blijft het evolutionaire proces aanzienlijk versnellen.
Laten we wat genen lenen
In 2015 bestudeerde geneticus Alistair Crisp uit Cambridge (VK) het genoom van 12 soorten fruitvliegjes Drosophila, 4 soorten rondwormen en 10 soorten primaten (waarvan een mens). De wetenschapper was op zoek naar "buitenaardse" delen van DNA.
Onderzoeksresultaten hebben de aanwezigheid bevestigd van 145 regio's in de genomen die het resultaat zijn van horizontale genoverdracht in eukaryoten.
Sommige van deze genen zijn betrokken bij het metabolisme van eiwitten en lipiden, de andere - bij immuunreacties. Het belangrijkste was dat het mogelijk was om mogelijke donoren van deze genen te identificeren. Het bleken protisten (de eenvoudigste eukaryoten), bacteriën (prokaryoten) en schimmels te zijn.
Hoe zit het met ons
Het is al betrouwbaar bekend dat door horizontale genoverdracht bij mensen de genen verschenen die verantwoordelijk zijn voor bloedgroepen AB0.
Het meeste bewijs voor een dergelijke genoverdracht bij primaten is van zeer oude oorsprong en gaat terug tot een gemeenschappelijke voorouder met andere chordaten.
Volgens recente studies is de vorming van de placenta bij mensen ook verantwoordelijk voor het gen van het virus, dat ergens aan het begin van de vorming van placenta-dieren werd gevangen.
De resultaten van sequencing van het menselijk genoom toonden aan dat het ongeveer 8% stukjes virale genomen bevat, die "slaapgenen" worden genoemd.
The Age of Mutants
Hier komen we bijhet onderwerp van horrorverhalen waarmee groene activisten schrikken. Wat als deze "slapende" genen worden ingeschakeld? Of bijt een teek een persoon en trekt hij een soort horror in zijn genoom? Of eten we genetisch gemodificeerde sojabonen en worden we mutanten? Maar tenslotte, gedurende 4 miljard jaar is de biodiversiteit op de planeet alleen maar toegenomen, en jij en ik zijn nog steeds een beetje zoals walvissen, zoals bladluizen zijn als paddenstoelen. Waarom is dat?
Ten eerste bestaat het mechanisme van horizontale overdracht in de natuur zolang het leven zelf bestaat. En bij het voorbeeld van bladluizen is het volkomen duidelijk dat een dergelijke genoverdracht juist gericht was op het vergroten van het aanpassingsvermogen van organismen aan de omgevingsomstandigheden (rode zijn minder zichtbaar op bepaalde delen van planten). En genetische ingenieurs hebben in die zin niets nieuws bedacht. Tomaten met genen voor poolvissen hebben een verhoogde koudetolerantie, waardoor ze in noordelijke regio's kunnen worden gekweekt.
Ten tweede hebben we, ondanks de mogelijkheid van genetische overdracht, de unificatie (uniformiteit) van het genoom van alle levende organismen op de planeet nog niet waargenomen. De stabiliteit van het biologische systeem, de cel en het organisme, is hoog genoeg om inefficiënte genoverdracht te beperken. Maar tegelijkertijd is het deze overdracht die het instrument is van biologische evolutie, wat leidt tot biodiversiteit. Het zal dus niet lang meer duren voordat beren eruitzien als vliegers en honden als kameleons.
