'Jumping Genes' gecompliceerde evolutie theorie met DNA gedeeld door soorten

DNA volgt meestal graag regels. DNA-strengen worden enigszins getrouw gekopieerd en de kopieën worden doorgegeven van de ouders naar de nakomelingen, en sturen zo de evolutie zoals we die kennen. Maar volgens nieuwe schattingen bestaat vijftig procent van je genoom ook uit afvallige DNA dat graag van soort naar soort springt. Dit schurkenstaten-DNA, schrijven onderzoekers in a Genome Biology artikel dat maandag is gepubliceerd, heeft zich willekeurig in bijna elk genoom op deze planeet geplaatst gedurende de evolutie van het leven. Ze zijn het enige dat overblijft van een reeks mysterieuze gebeurtenissen van miljoenen jaren geleden.

Atma Ivancevic, Ph.D., een post-doctorale neurogenetica en bioinformatica onderzoeker en hoofdauteur van de krant, begon zijn onderzoek met het proberen uit te leggen waarom hetzelfde bedrieglijke DNA kan worden gevonden in dieren die net zo verschillend zijn als zee-egels en mensen. Het is vastgesteld dat de meeste soorten op aarde een grote hoeveelheid genetisch materiaal delen - je hebt waarschijnlijk gehoord dat mensen ongeveer 99 procent van ons DNA delen met chimpansees - maar deze genen zijn anders, zegt Ivancevic.

"'Jumping-genen' zijn eigenlijk geen genen; het zijn niet-coderende stukjes 'junk-DNA' ', vertelt ze omgekeerde in een e-mail. "Denk aan hen als genetische parasieten, springen rond het genoom om zelfzuchtig zichzelf te repliceren, en soms springen tussen soorten."

In de afgelopen paar jaar zijn we begonnen de functie van deze schurkende stukjes DNA te begrijpen, maar we weten nog steeds niet precies wat ze doen. Dit is het mysterie achter springende genen: het zijn broodkruimels van een DNA-spoor, verspreid over de hele levensboom. Nu, dankzij dit artikel, kunnen we eindelijk ontdekken hoe ze zo'n puinhoop hebben gemaakt.

Horizontale overdracht

Ivancevic's onderzoek wees uit dat er twee sequenties zijn van spring-junk-DNA die kunnen worden getraceerd over een breed scala aan soorten, genaamd BovB en L1. Onderzoekers noemen deze patronen transponeerbare elementen (TE's) omdat ze zich willekeurig "kopiëren en plakken" door de genen van dieren van zee-egels, tot koeien, tot mensen. Dit vreemde proces, waarin een TE het genetisch materiaal van een andere soort binnendringt, wordt genoemd horizontale overdracht.

Ons standaard begrip van reproductie wordt beschreven door verticale overdracht, de aanname dat het meeste genetische materiaal meestal van ouder op kind wordt doorgegeven.

Wanneer u een stamboom tekent, tekent u meestal kinderen onder hun ouders. In zekere zin neigen genen op die manier langs generaties te vallen. Maar sommige TE's bewegen horizontaal over de boom des levens, "springend" van DNA van het ene organisme naar het andere door een boodschapper die een "vector" wordt genoemd. Wetenschappers begrijpen niet volledig hoe het proces tussen soorten werkt, maar ze hebben een vermoeden over wat de vectoren zouden kunnen zijn.

Sommige organismen, zoals bacteriën, zijn echt goed in horizontale overdracht van genen en doen dat vaak op een natuurlijke manier, zonder een vector. Dieren kunnen dat niet, maar dat kunnen ze wel zijn besmet door bacteriën, die vervolgens als vectoren kunnen werken. De paper suggereert een paar waarschijnlijke kandidaten voor deze boodschaprol, met inbegrip van bedwantsen, teken en sprinkhanen, en het nomineert ook enkele potentiële aquatische vector-wezens, zoals oesters en zeewormen. Het zijn deze vectoren die de twee bits van junk-DNA-sequenties, BovB en L1, waarschijnlijk over verschillende soorten hebben verplaatst.

Wat echt interessant is, is wat er gebeurt zodra het DNA daar aankomt. Nadat een overdrachtsgebeurtenis heeft plaatsgevonden, laten Ivancevic en haar team zien dat het DNA snel kan repliceren. BovB zou bijvoorbeeld eerst zijn ontstaan ​​in slangen en vervolgens "gesprongen" zijn naar koeien via horizontale overdrachtsgebeurtenissen miljoenen jaren geleden, waar het meerdere malen werd gerepliceerd. Beschouw het als het doen van een standaard copy-and-paste, alleen tik je keer op keer op control-V.

"Voor mij was het meest verrassende niet de overdracht, maar de effecten op het genoom van de gastheer na de overdracht," zegt Ivancevic. "Nu neemt BovB ongeveer 25% van de sequentie van het koeiengenoom in. Dat is een enorme verandering!"

Op zoek naar Big Jumps

Om te zien hoe diep in de boom des levens deze sequenties infiltreerden, onderzocht het team van Ivancevic de genomen van 759 soorten. Ze vonden de BovB-sequentie bij dieren die in de verte verwant waren aan slangen, koeien, zee-egels, vleermuizen en paarden (hoewel vleermuizen en paarden lage aantallen complete BovB-sequenties hadden). De L1-sequentie leek nog meer voor te komen. Terwijl 79 soorten BovB-sequenties hadden, 559 soorten hadden L1-sequenties. Historisch gezien werd gedacht dat L1 alleen verticaal werd overgedragen, dus het vinden van de L1-sequentie in deze ongelijksoortige soort was een doorbraak.

BovB heeft onderzoekers altijd geïntrigeerd omdat het "grote sprongen maakt" tussen verre verwante soorten, en het bewijs levert dat er een soort van horizontale overdrachtsgebeurtenis plaatsvond. Maar de vorige analyse bracht slechts enkele voorbeelden aan het licht waarin L1-sequenties deze grote sprongen maakten, waardoor onderzoekers concludeerden dat L1 waarschijnlijk alleen verticaal werd doorgegeven.

Door een breder net uit te werpen, liet het team van Ivancevic zien dat er meer genomisch rondspringt dan we ooit dachten."Het gebruik van dieren, planten EN schimmels heeft echt geholpen om zoveel mogelijk genomen te screenen met actuele gegevens. Er zijn niet veel studies die op grote schaal op zoek zijn naar overdracht van het hele grondgebied, "zegt ze.

De bevinding dat L1s aanwezig zijn in 559 soorten was overtuigend bewijs dat L1s had maakte deze grote sprongen. Het team verwijst naar zes voorheen onontdekte L1 "sprongen" in mariene soorten miljoenen jaren geleden als de mogelijke springplank voor dit ongewenste gen om het DNA van soorten in volledig gescheiden koninkrijken binnen te gaan.

Ze schrijven dat een van deze horizontale gebeurtenissen de L1-sequentie in een oude voorouder van "therian" -zoogdieren kon hebben gestopt - dieren die geen eieren leggen - tussen 160 en 191 miljoen jaar geleden. Van daaruit kon de reeks verticaal worden doorgegeven aan alle afstammelingen van die oude dieren, waaronder misschien mensen. Hoewel L1 meestal gefragmenteerd en inactief is bij mensen, componeert het nog steeds 17 procent van ons genoom.

Bevindingen zoals deze illustreren hoe zelfs de kleinste krachten de evolutie kunnen veranderen. Misschien, miljoenen jaren geleden, raakte een van onze meest verre voorouders in een woordenwisseling met een in de zee levende bloedzuigende plaag - misschien was het een zeeworm - en ontving op de een of andere manier een injectie met willekeurig DNA. Nu, miljoenen jaren later, blijven die veranderingen in ons bestaan, en we zijn nog steeds aan het uitzoeken welke rollen ze spelen.

"Het laat zien hoeveel willekeurige DNA-uitwisselingen onze evolutie kunnen beïnvloeden", zegt Ivancevic.