Naukowcy od dziesięcioleci wiedzą, że geny mogą być przenoszone z jednego gatunku na drugi, zarówno u zwierząt, jak i roślin. Jednak mechanizm powstawania tak mało prawdopodobnego zdarzenia pozostał nieznany. Teraz naukowcy z laboratorium Alejandro Burga w Instytucie Biotechnologii Molekularnej (IMBA) Austriackiej Akademii Nauk identyfikują wektor horyzontalnego transferu genów (HGT) u robaków. Odkrycia, opublikowane 29 czerwca w Science, mogą doprowadzić do odkrycia kolejnych wektorów HGT u eukariontów i mogą znaleźć zastosowanie w zwalczaniu patogenów.

Kluczowe punkty:

• Transfer informacji genetycznej między gatunkami, zwany poziomym transferem genów (HGT), jest niejasnym zjawiskiem obserwowanym u eukariotów, w tym u niektórych gatunków kręgowców. Jednak naukowcy nie potrafili wyjaśnić, jak to się dzieje.
• Teraz naukowcy z laboratorium Alejandro Burga w IMBA odkrywają jeden z długo poszukiwanych wektorów HGT u nicieni: starożytne wirusopodobne transpozony zwane Mavericks. Demonstrują to Mavericks są odpowiedzialne za zdarzenie HGT między dwoma gatunkami robaków, których genomy są tak różne, jak genomy ludzi i ryb.
• Naukowcy to przewidują Mavericks a analogiczne elementy mogą pośredniczyć w HGT w szerszej puli linii zwierzęcych, w tym kręgowców.

Ryby żyjące w oceanach arktycznych i antarktycznych wykształciły pomysłowe strategie zapobiegania zamarzaniu krwi i tkanek w niegościnnych wodach polarnych. Jedną z takich strategii adaptacyjnych jest ewolucja genów wytwarzających białka zapobiegające zamarzaniu. Jednak ponad dekadę temu naukowcy byli zdumieni odkryciem, że śledzie i stynki – dwa zupełnie różne gatunki – mają dokładnie to samo białko przeciw zamarzaniu zakodowane w ich genomach, co wskazuje na transfer genów między nimi. Przykłady takie jak ten nasuwają pytanie: w jaki sposób geny mogą „przeskakiwać” między zupełnie różnymi gatunkami? To rzadkie zjawisko, znane jako horyzontalny transfer genów (HGT), od dawna intryguje biologów ewolucyjnych. I pomimo odkrycia nowych przypadków HGT we wszystkich gałęziach życia na przestrzeni lat, mechanizmy odpowiedzialne za te transfery w dużej mierze pozostały nieznane.

Teraz naukowcy z grupy Alejandro Burga w IMBA nie tylko łapią zdarzenie HGT w królestwie zwierząt na gorącym uczynku, ale także identyfikują jednego z jego długo poszukiwanych wektorów. Za pomocą genetycznej pracy detektywistycznej Burga i jego zespół wykazali zdarzenie HGT między dwoma izolowanymi reprodukcyjnie gatunkami robaków, które genetycznie różnią się od siebie tak, jak ludzie różnią się od ryb. Co ważniejsze, mogli zidentyfikować przyczynę: rodzinę wirusopodobnych transpozonów tzw Mavericks.

Złapanie sprawcy: Mavericks jako wektory HGT

„Mavericks były już znane jako klasa transpozonów, ale nasza praca po raz pierwszy łączy je z HGT,” mówi lider grupy IMBA Alejandro Burga, autor korespondencyjny badania. “Wiedzieliśmy, że HGT zachodzi między gatunkami zwierząt, ale nie mieliśmy pojęcia, jak to się dzieje. Po raz pierwszy udało nam się definitywnie ustalić winowajcę,” dodaje współautorka Sonya Widen, doktor habilitowany w laboratorium Burga.

Gdy Mavericks zostały odkryte w połowie 2000 roku, początkowo uważano je za duże transpozony, samolubne elementy genetyczne, które przeskakują i rozmnażają się w genomie kosztem gospodarza. Mavericks zostały szybko zgłoszone w większości gałęzi eukariontów, w tym ludzi, ustalając w ten sposób, że powstały dawno temu.

Transpozony i wirusy, tygiel natury?

Wkrótce dowód na to Mavericks zawierające geny kodujące elementy wirusowe, takie jak kapsyd i polimeraza DNA, zaczęły wypływać na powierzchnię. “Ewolucja transpozonów i wirusów jest ze sobą ściśle powiązana,– mówi Burga. Jednak kapsyd i polimeraza DNA nie wystarczą, aby transpozon mógł wyskoczyć z genomu gospodarza i zainfekować komórki zupełnie innego gospodarza. Teraz naukowcy z IMBA znaleźli brakujące ogniwo: Mavericks w genomach robaków nabyły tak zwane białko fuzogenu, białko transbłonowe, które pośredniczy w fuzji błon między różnymi komórkami. Nabywając fuzogen, autorzy stawiają hipotezę, że robak Mavericks stał się zdolny do tworzenia wirusopodobnych cząstek, które mogą łączyć się z błonami komórkowymi innego organizmu i infekować je. “Według naszej wiedzy nie zgłoszono żadnego fuzogenu Mavericks zanim. Tak więc myślimy, że robak Mavericks mógł pobrać ich sekwencję z wirusa,– mówi Widen. “Transpozony i wirusy można uważać za tygiel natury. Ich połączenie może mieć nieprzewidywalne reperkusje i prowadzić do innowacji genomicznych,– mówi Burga.

Wykazanie znaczenia HGT u robaków

W niniejszym badaniu zespół IMBA kierowany przez Alejandro Burgę i współpierwszych autorów, Sonyę Widen i Israela Campo Besa, byłego studenta studiów magisterskich w laboratorium w Burga, natknął się na HGT „całkowicie przez przypadek”, jak mówi Widen. W rzeczywistości zespół badał ewolucyjne pochodzenie samolubnego elementu w nicieniach Caenorhabditis briggsae. Wykonując pewną pracę detektywistyczną, byli w stanie prześledzić sekwencję tego samolubnego genu z powrotem do innego nicienia, C. plicata, który zawierał prawie identyczną kopię. To odkrycie jest zaskakujące, ponieważ C. briggsae I C. plicata to dwa gatunki izolowane reprodukcyjnie. “Ich genomy są tak różne, jak genomy ludzi i ryb, a jednak oba mają prawie identyczny gen, który wyraźnie wykazuje cechy ewolucyjnie niedawnego zdarzenia HGT,”, mówi Campo Bes. “Uważnie przyglądając się genomowi C. plicataodkryliśmy, że sekwencja przodków, która dała początek samolubnemu genowi w C. briggsae został osadzony w a Politycznie niezależny W C. plicata. Fakt, że ten nowo wprowadzony gen następnie przekształcił się w nowy samolubny gen w C. briggsae demonstruje wpływ HGT na ewolucję genomu,– wyjaśnia Widen. Zespół IMBA następnie to pokazał Mavericks są odpowiedzialne za dziesiątki niezależnych przypadków przenoszenia HGT między gatunkami robaków należących do różnych rodzajów i występujących na całym świecie.

Znaczenie rolnicze i medyczne

Naukowcy z IMBA argumentują, że związek między transpozonami i wirusami jest kluczowym czynnikiem pośredniczącym w HGT. Choć wciąż trudno im uwierzyć w swój sukces, dostrzegają wpływ, jaki ich odkrycia mogą mieć na rozwiązanie tajemnic HGT. “Byłem przekonany, że mamy do czynienia z przypadkiem HGT, kiedy po raz pierwszy zobaczyliśmy te wyniki w laboratorium, ale byłem też pewien, że nigdy nie dowiemy się, jak to się stało. A jednak gwiazdy się ułożyły” mówi Burga, który też to przewiduje Mavericks a podobne wirusopodobne elementy transpozycyjne mogą pośredniczyć w HGT u kręgowców i innych eukariotów. Na koniec zespół przewiduje możliwe zastosowania zarówno w laboratorium, jak i jako środki zwalczania szkodników przeciwko pasożytniczym gatunkom robaków: „Jeśli Politycznie niezależnywykazano, że HGT, w którym pośredniczy HGT, ma szerokie zastosowanie do dowolnego gatunku nicieni, ma potencjał, aby stać się nieocenionym zasobem. Poza ścisłymi zastosowaniami laboratoryjnymi i badawczymi, takimi jak manipulacja genetyczna niemodelowych nicieni, taki zasób mógłby pozwolić nam w przyszłości na genetyczną modyfikację pasożytniczych gatunków nicieni, które mogą mieć znaczenie w rolnictwie lub medycynie,” podsumowuje Burga.

Sonya A. Widen jest doktorem habilitowanym w laboratorium Burga w IMBA i członkiem Międzynarodowy staż podoktorancki w Wiedniu (VIP²) Program stypendialny w wiedeńskim BioCenter. Izrael Campo Besbyły student studiów magisterskich w laboratorium w Burga, obecnie robi doktorat na Uniwersytecie im Centrum Regulacji Genomu (CRG), Instytut Nauki i Technologii w BarcelonieBarcelona, ​​Hiszpania.

Oryginalna publikacja:

Sonya A. Widen*, Israel Campo Bes*, Alevtina Koreshova, Pinelopi Pliota, Daniel Krogull i Alejandro Burga, Wirusopodobne transpozony przekraczają barierę gatunkową i napędzają ewolucję niezgodności genetycznych. Nauka (2023). DOI:

* Współpierwsi autorzy

O IMBIE:

Instytut Biotechnologii Molekularnej (IMBA) Austriackiej Akademii Nauk (ÖAW) jest jednym z wiodących instytutów badań biomedycznych w Europie. IMBA znajduje się w Vienna BioCenter, tętniącym życiem austriackim klastrze uniwersytetów, instytutów badawczych i firm biotechnologicznych. Tematy badawcze IMBA obejmują biologię chromosomów, biologię RNA, elementy samolubne i mechanizmy wyciszania, genomikę funkcjonalną, biologię komórki i rozwoju, biologię komórek macierzystych, medycynę molekularną, neuronaukę, badania organoidów i modele chorób.