'Melompat Gen' Komplikasikan Evolusi Teori Dengan DNA Dikongsi Berbanding Spesies

DNA biasanya suka mematuhi peraturan. Struktur DNA disalin agak setia, dan salinannya diluluskan dari ibu bapa kepada anak-anak, dengan itu memandu evolusi seperti yang kita tahu. Tetapi menurut anggaran baru, lima puluh peratus genom anda juga terdiri daripada DNA renegade yang suka melompat dari spesies ke spesies. Ini DNA penyangak, penyelidik menulis dalam a Genome Biology artikel yang diterbitkan pada hari Isnin, secara rawak dimasukkan ke dalam hampir setiap genom di planet ini sepanjang evolusi kehidupan. Mereka semua tetap menjadi satu siri peristiwa misteri dari berjuta-juta tahun yang lalu.

Atma Ivancevic, Ph.D., penyelidik neurogenetik dan penyelidik bioinformatik pasca doktoral dan pengarang utama kertas, memulakan kajiannya dengan mencari untuk menjelaskan mengapa DNA penyangak yang sama dapat ditemui pada haiwan yang jauh berbeza dengan landak laut dan manusia. Ia menegaskan bahawa kebanyakan spesies di bumi berkongsi sejumlah besar bahan genetik - anda mungkin pernah mendengar bahawa manusia berkongsi kira-kira 99 peratus DNA kita dengan simpanse - tetapi gen ini berbeza, kata Ivancevic.

"'Melompat gen' sebenarnya bukan gen; mereka bukan kepingan kod DNA sampah, "katanya Songsang dalam e-mel. "Fikirkan mereka seperti parasit genetik, melompat di sekitar genom untuk meniru diri sendiri, dan kadang-kadang melompat di antara spesies."

Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, kami mula memahami fungsinya mengenai DNA palsu, tetapi kami masih tidak tahu apa yang mereka lakukan. Inilah misteri di belakang melompat gen: Mereka adalah serbuk roti jejak DNA, yang tersebar di seluruh pokok kehidupan. Sekarang, terima kasih kepada kertas ini, akhirnya kita dapat mengetahui bagaimana mereka membuat keadaan seperti keadaan huru-hara.

Pemindahan mendatar

Penyelidikan Ivancevic mendapati bahawa terdapat dua urutan DNA sampah yang melompat yang dapat dikesan melalui pelbagai spesies yang dikenali sebagai BovB dan L1. Penyelidik memanggil corak-corak transposable elemen (TE) ini kerana mereka "menyalin dan menyisipkan" diri secara rawak ke seluruh gen haiwan dari landak laut, kepada lembu, kepada manusia. Proses pelik ini, di mana TE menyerang bahan genetik spesies lain, dipanggil pemindahan mendatar.

Pemahaman standard kami tentang pembiakan diterangkan oleh pemindahan menegak, andaian bahawa kebanyakan bahan genetik biasanya diturunkan dari ibu bapa ke anak.

Apabila anda melukis pokok keluarga, anda biasanya menarik kanak-kanak di bawah ibu bapa mereka, dan dalam erti kata, gen cenderung jatuh sepanjang generasi dengan cara itu. Tetapi beberapa TE bergerak secara mendatar di seluruh pokok kehidupan, "melompat" dari satu DNA organisma kepada yang lain melalui seorang utusan yang disebut "vektor." Para saintis tidak memahami sepenuhnya bagaimana proses itu berfungsi antara spesies, tetapi mereka mempunyai firasat tentang apa yang vektor mungkin.

Sesetengah organisma, seperti bakteria, benar-benar baik pada pemindahan gen yang mendatar dan sering melakukannya secara semulajadi, tanpa vektor. Haiwan tidak boleh melakukannya, tetapi mereka boleh dijangkiti oleh bakteria, yang kemudian boleh bertindak sebagai vektor. Kertas ini mencadangkan beberapa calon yang mungkin untuk peranan utusan ini, termasuk pepijat katil, kutu, dan belalang, dan juga menamakan beberapa makhluk vektor yang berpotensi akuatik, seperti tiram dan cacing laut. Ini adalah vektor-vektor ini yang mungkin memindahkan dua bit jujukan DNA sampah, BovB dan L1, merentasi spesis.

Yang benar-benar menarik adalah apa yang berlaku sebaik sahaja DNA mendapat di sana. Selepas peristiwa pemindahan berlaku, Ivancevic dan pasukannya menunjukkan, DNA dapat meniru dengan cepat. Sebagai contoh, BovB dipercayai telah muncul pertama di ular dan kemudian "melompat" ke lembu melalui peristiwa pemindahan mendatar jutaan tahun yang lalu, di mana ia direplikasi beberapa kali. Fikirkannya sebagai melakukan copy-and-paste standard, hanya anda memukul kawalan-V berulang-ulang.

"Bagi saya, perkara yang paling mengejutkan bukan pemindahan, tetapi kesan kepada genom tuan rumah selepas pemindahan," kata Ivancevic. "Sekarang BovB menempati kira-kira 25% daripada urutan genom lembu. Itulah perubahan besar!"

Mencari Big Jumps

Untuk melihat sejauh mana pokok kehidupan runtuhan ini, pasukan Ivancevic menyiasat genom 759 spesies. Mereka mendapati urutan BovB pada haiwan yang berkaitan dengannya sebagai ular, lembu, bulu burung, kelawar dan kuda (walaupun kelawar dan kuda mempunyai bilangan urutan BovB yang lengkap). Susunan L1 nampaknya lebih umum. Sedangkan 79 spesies mempunyai urutan BovB, 559 spesies mempunyai urutan L1. Dari segi sejarah, L1 dipercayai hanya ditransfer secara menegak, jadi mencari urutan L1 dalam spesies yang berbeza adalah satu kejayaan.

BovB sentiasa mengintai para penyelidik kerana ia membuat "lonjakan besar" di antara spesies jauh berkaitan, memberikan bukti bahawa beberapa jenis peristiwa pemindahan mendatar berlaku. Tetapi analisis sebelumnya hanya muncul beberapa contoh di mana urutan L1 membuat lompatan besar ini, yang menyebabkan para penyelidik menyimpulkan bahawa L1 mungkin hanya diturunkan secara menegak.

Dengan menghantar jaring yang lebih luas, pasukan Ivancevic menunjukkan bahawa lebih banyak genomic melompat di sekitar daripada yang kita sangka. "Penggunaan haiwan, tumbuh-tumbuhan dan kulat, benar-benar membantu menyaring sebanyak mungkin genom dengan data semasa. Tidak banyak kajian yang mencari perpindahan silang-kerajaan secara besar-besaran, "katanya.

Temuan yang terdapat dalam 559 spesies adalah bukti yang menunjukkan bahawa L1s telah membuat lompatan besar ini. Pasukan itu menunjukkan kepada enam "Lompat" yang belum pernah dijumpai dalam spesies marin berjuta-juta tahun yang lalu sebagai batu loncatan yang mungkin untuk gen sampah ini untuk memasuki DNA spesies dalam kerajaan yang terpisah sepenuhnya.

Mereka menulis bahawa salah satu daripada peristiwa mendatar ini boleh memunculkan urutan L1 ke dalam nenek moyang kuno mamalia "therian" - haiwan yang tidak bertelur - antara 160 dan 191 juta tahun yang lalu. Dari sana, urutan itu boleh diturunkan secara menegak kepada semua keturunan binatang kuno itu, termasuk, mungkin, manusia. Walaupun L1 kebanyakannya berpecah-belah dan tidak aktif pada manusia, ia masih membentuk 17 peratus daripada genom kita.

Penemuan seperti ini menggambarkan bagaimana kuasa-kuasa terkecil dapat membentuk semula evolusi. Mungkin, berjuta-juta tahun yang lalu, salah satu daripada nenek moyang kami yang paling jauh telah menjadi perbalahan dengan perosak darah yang tinggal di laut - mungkin ia cacing laut - dan entah bagaimana menerima suntikan DNA rawak. Kini, berjuta-juta tahun kemudian, perubahan itu berterusan di dalam diri kita, dan kita masih memikirkan peranan mereka.

"Ia menunjukkan berapa banyak pertukaran DNA rawak dapat membentuk evolusi kita," kata Ivancevic.