'Jumping Genes' kompliser evolusjonsteori med DNA delt over arter

DNA liker vanligvis å følge regler. DNA-strengene kopieres noe trofast, og kopiene overføres fra foreldre til avkom, og derved driver evolusjonen som vi kjenner. Men ifølge nye estimater er femti prosent din genom også sammensatt av renegad DNA som liker å hoppe fra art til art. Dette rogue DNA, forskere skriver i en Genombiologi artikkel publisert mandag, har tilfeldig sett satt inn i nesten hvert genom på denne planeten gjennom hele utviklingen av livet. De er alle som forblir av en rekke mystiske hendelser fra millioner av år siden.

Atma Ivancevic, Ph.D., en postdoktorale neurogenetikk og bioinformatikkforsker og hovedforfatter av papiret, begynte å studere ved å forsøke å forklare hvorfor det samme rogue-DNA kan bli funnet hos dyr som er svært forskjellige fra sjøkyllinger og mennesker. Det er fastslått at de fleste arter på jorden deler mye genetisk materiale - du har sikkert hørt at menneskene deler omtrent 99 prosent av DNA med chimpanser - men disse gener er forskjellige, sier Ivancevic.

"Hoppende gener" er egentlig ikke gener; de er ikke-kodende stykker av "junk DNA", forteller hun Omvendt i en e-post. "Tenk på dem som genetiske parasitter, hoppe rundt genomet til å egoere replikere seg selv, og noen ganger hoppe mellom arter."

I de siste årene har vi begynt å forstå funksjonen til disse skurkne biter av DNA, men vi vet fortsatt ikke nøyaktig hva de gjør. Dette er mysteriet bak hoppende gener: De er brødkrummer av et DNA-spor, spredt gjennom livets tre. Nå, takket være dette papiret, kan vi endelig finne ut hvordan de gjorde et slikt rot.

Horisontal overføring

Ivancevics forskning fant at det er to sekvenser av hoppende søppeldann som kan spores over et stort utvalg av arter, kalt BovB og L1. Forskere kaller disse mønstrene transponable elementer (TE) fordi de "kopier og limer" seg tilfeldig gjennom gener av dyr fra sjøkyllinger, til kyr, til mennesker. Denne merkelige prosessen, der en TE invaderer et annet arters genetiske materiale, kalles horisontal overføring.

Vår standard forståelse av reproduksjon er beskrevet av vertikal overføring, antakelsen om at det mest genetiske materialet vanligvis sendes ned fra foreldre til barn.

Når du tegner et slektstre, trekker du vanligvis barn under foreldrene sine, og på en måte har gener tendens til å falle sammen generasjoner på den måten. Men noen T-skjorter beveger seg horisontalt over hele livet, trengte "hopping" fra en organisms DNA til en annen gjennom en budbringer en "vektor." Forskere forstår ikke fullt ut hvordan prosessen virker mellom arter, men de har en forvirring om hva vektorene kan være.

Noen organismer, som bakterier, er veldig gode ved horisontal overføring av gener og gjør ofte det naturlig, uten vektorer. Dyr kan ikke gjøre det, men de kan være infisert av bakterier, som da kan fungere som vektorer. Papiret antyder noen få sannsynlige kandidater til denne messengerrollen, inkludert sengebugger, flått og gresshopper, og det nominerer også noen potensielle akvatiske vektor-skapninger, som østers og sjømask. Det er disse vektorene som sannsynligvis flyttet de to biter av junk DNA-sekvenser, BovB og L1, på tvers av arter.

Det som er veldig interessant er hva som skjer når DNA kommer dit. Etter at en overføringshendelse har skjedd, kan Ivancevic og hennes lagspill, DNA'et gjenskape seg raskt. For eksempel antas BovB å være først oppstått i slanger og deretter "hoppet" til køer via horisontale overføringsarrangementer for millioner av år siden, der den gjengittes flere ganger. Tenk på det som å gjøre en standard kopi og lim, bare du treffer kontroll-V igjen og igjen.

"For meg var det mest overraskende tingen ikke overføringen, men effektene til vertsgenomet etter overføring," sier Ivancevic. "Nå besitter BovB omtrent 25% av køngenom-sekvensen. Det er en stor forandring!"

Leter du etter store hopp

For å se hvor langt inn i livets treet infiltrerte disse sekvensene, undersøkte Ivancevics team gjennomene av 759 arter. De fant BovB-sekvensen hos dyr som fjernt relatert til slanger, kyr, sjøkyllinger, flaggermus og hester (selv om flaggermus og hester hadde lavt antall komplette BovB-sekvenser). L1-sekvensen syntes å være enda mer utbredt. Mens 79 arter hadde BovB-sekvenser, 559 arter hadde L1-sekvenser. Historisk sett var L1 antatt å bare overføres vertikalt, så det var et gjennombrudd å finne L1-sekvensen i disse forskjellige artene.

BovB har alltid fascinert forskere fordi det gjør "store hopp" mellom fjernt beslektede arter, som gir bevis for at en form for horisontal overføringshendelse fant sted. Men tidligere analyse viste seg bare noen få tilfeller der L1-sekvenser gjorde disse store hoppene, noe som førte forskere til å konkludere at L1 trolig bare gikk ned vertikalt.

Ved å kaste et større nett viste Ivancevics team at det har vært mer genomisk hopping rundt enn vi en gang trodde. "Bruken av dyr, planter og sopp, bidro virkelig til å skjerme så mange genomer som mulig med dagens data. Det er ikke mange studier som ser etter overføring i Storbritannia, i stor skala, sier hun.

Funnet om at L1 er tilstede i 559 arter var overbevisende bevis på at L1s hadde laget disse store hoppene. Teamet peker på seks tidligere uoppdagede L1 "hopp" i marine arter for millioner av år siden som mulig springbrett for dette søppelgenet for å gå inn i DNA av arter i helt separate kongeriker.

De skriver at en av disse horisontale hendelsene kunne ha slått L1-sekvensen inn i en gammel forfader til "terrier" pattedyr - dyr som ikke legger egg - mellom 160 og 191 millioner år siden. Derfra kunne sekvensen ha blitt passert vertikalt til alle etterkommerne til de gamle dyrene, inkludert kanskje mennesker. Mens L1 er for det meste fragmentert og inaktivt hos mennesker, komponerer det fortsatt 17 prosent av genomet vårt.

Funn som disse illustrerer hvordan selv de minste krefter kan omforme evolusjonen. Kanskje, for millioner av år siden, kom en av våre fjerneste forfedre inn i et altercation med et sjøbeboende blodsugende skadedyr - kanskje det var en sjømask - og på en eller annen måte fikk en injeksjon av tilfeldig DNA. Nå, millioner av år senere, fortsetter disse endringene i oss, og vi regner fortsatt med hvilke roller de spiller.

"Det viser hvor mye tilfeldig DNA-utveksling kan forme vår utvikling," sier Ivancevic.