З моменту виявлення такого феномену, як горизонтальний перенос генів, а саме не від батьків до нащадків, весь живий світ на нашій планеті представляється єдиною інформаційною системою. І в цій системі стає можливим запозичення вдалого еволюційного винаходу одного виду іншим. Що таке вертикальний і горизонтальний перенос генів, які механізми цього процесу і приклади в органічному світі – про все це стаття.
Гени сусіда
Кожному відомо, що свої гени ми отримуємо від батьків. А вони — від своїх батьків. Це і є вертикальний перенесення. І якщо раптом відбудеться мутація, яка виявиться корисною для виживання або пристосування, і закріпиться в геномі популяції, то вид придбає переваги в боротьбі за існування.
При цьому у людини свої гени, попелиці — свої, а в акул — свої. Потрапити їм між видами практично немає можливості. Але іноді таке трапляється – це і є перенесення генів горизонтальний.
Саме цим і займається сучасна генна інженерія. Генномодифіковані організми є результатом такого перенесення генів (наприклад, світиться тихоходка на фото вище). Але в природі це явище існує давно.
Суть питання
Вертикальний перенесення генів — явище передачі спадкового матеріалу від батьківських форм до дочірнім організмам.
Горизонтальний перенос генів — це існуюча в природі ситуація передачі генів від одного дорослого організму до іншого. При цьому два організму об’єктивно існують, а іноді належать до різних біологічних видів.
Приклад горизонтального переносу генів у бактерій – перенесення генів стійкості (резистентності) від одного штаму бактерій до іншого.
Необхідні умови
Для розуміння даного явища необхідно знати умови, за яких такий перенос можливий в принципі, а саме:
- Необхідно наявність посередника для «транспорту» генів від однієї клітини до іншого, від одного організму до іншого.
- Необхідно наявність молекулярного механізму, який дозволить вбудовувати чужорідні гени в хазяйський генний набір.
Названі умови можуть виконувати ретровіруси та інші транспозооны (елементи ДНК). І саме такі способи горизонтального переносу генів сьогодні взяла на озброєння генна інженерія.
Хоча сьогодні механізми такого перенесення генів лише вивчаються, крім вірусів, таке перенесення може відбуватися і за допомогою вільних ділянок дезоксирибонуклеиновых кислот (транспозоонов), які потрапляють в організм за допомогою простого занесення або з паразитичними організмами. Останні можуть змінювати не тільки генетичний апарат господаря, але і його екологічне місце в системі біоценозу.
Історія питання
Саме перенесення генів резистентності до антибіотиків між різними штамами бактерій був вперше описаний в Японії в 1959 році.
Вже до середини 90-х років минулого століття молекулярними біологами було доведено, що горизонтальний перенос генів у прокаріотів та еукаріотів був залучений в еволюційний розвиток життя на нашій планеті.
У 2010 році було опубліковано дослідження професора Седріка Фешотта, в якому був представлений аналіз генома опосума і мавп саймірі. Їх вкусив один вид клопа. У геномах ссавців був виявлений транспозоон, ідентичність якого з комахою становить 98%. До відома, кусають ці клопи не тільки мавпочок і опосумів.
З цього моменту гіпотеза горизонтального перенесення генів між різними доменами організмів стала новою парадигмою біології.
Різнокольорові комашки
І якщо горизонтальний перенос генів у бактерій останні 30 років не викликав сумнівів у біологів, то його можливість у багатоклітинних викликала безліч питань. Саме тоді увагу біологів привернула звичайна попелиця, у якій зустрічаються особини з зеленим та червоним кольором тельця.
Аналіз пігментів, які надають забарвлення червоним особинам, виявив наявність каротиноїдів – рослинних пігментів. Звідки ж у попелиці взялися гени, які притаманні виключно рослинним організмам? Сьогодні секвенувати геном комашки – справа досить просте для дослідників. Саме так було виявлено, що гени попелиці, відповідальні за синтез червоного пігменту, повністю ідентичні такому у деяких грибів, які паразитують в організмі попелиці, не завдаючи їй видимого шкоди.
Найімовірніше, на зорі еволюції попелиці (близько 80 мільйонів років тому) і стався збій в генетичній машині і гени грибів виявилися вбудованими у геном комашки.
Еволюція та біорізноманіття
Вся філогенетична систематика органічного світу базується на Дарвінівському понятті дивегренции. Суть його полягає в наступному: як тільки між популяціями виду виникає репродуктивна ізоляція, можна говорити про процес видоутворення. І вже два виду продовжують еволюціонувати на основі природного відбору і випадкових мутацій.
Відкриття горизонтального перенесення генів між видами і більш великими таксонами лише довело, що за такий короткий за космічними мірками термін (4 мільярди років) жива матерія на нашій планеті могла пройти шлях від одноклітинних форм до високоорганізованих багатоклітинних.
Таким чином, вся біота планети стає єдиною лабораторією по створенню нових спадкових ознак, і саме горизонтальне рух генів змогло і продовжує суттєво прискорювати еволюційний процес.
Візьмемо борг трохи генів
У 2015 році генетик Алістер Крисп з Кембриджа (Великобританія) провів вивчення геномів 12-ти видів плодових мушок дрозофіл, 4-х видів круглих червів і 10-ти видів приматів (один з яких — людина). Вчений шукав «чужорідні» ділянки ДНК.
Результати досліджень підтвердили наявність в геномах 145 дільниць, які стали результатом горизонтального переносу генів у еукаріотів.
Частина цих генів бере участь у метаболізмі білків і ліпідів, інша — в імунних реакціях. Головне, вдалося виявити ймовірні донорів цих генів. Ними виявилися протисты (найпростіші еукаріоти), бактерії (прокаріоти) та гриби.
А що стосовно нас
Вже достеменно відомо, що шляхом горизонтального переносу генів у людини з’явилися гени, відповідальні за групи крові АВ0.
Більшість фактів такого перенесення генів у приматів має дуже давнє походження і відноситься до часу існування загального предка з іншими хордовими тваринами.
За даними останніх досліджень, за формування плаценти у людини відповідає в тому числі і ген вірусу, який був захоплений десь на зорі формування плацентарних тварин.
Результати секвенування генома людини показали, що в ньому міститься близько 8% шматочків вірусних геномів, які називаються «сплячі гени».
Ера мутантів
Ось ми і підходимо до теми страшилок, якими лякають зелені активісти. А раптом ці «сплячі» гени включаться? Або ось кусає людину кліщ і перетягує до нього в геном якусь жах? Або ми з’їдаємо геномодифіковану сою і стаємо мутантами? Але адже за 4 мільярди років біорізноманіття на планеті тільки збільшувалася, а ми з вами все ще мало схожі на китів, як і тля — на гриби. Чому так?
По-перше, механізм горизонтального переносу існує в природі стільки, скільки існує сама життя. І на прикладі попелиці чудово видно, що такий перенос генів був спрямований саме на підвищення пристосованості організмів до умов навколишнього середовища (красненьких гірше видно на певних частинах рослин). І генні інженери у цьому сенсі не придумали нічого нового. Томати з генами арктичних риб мають підвищену холодостійкість, що дозволяє вирощувати їх в північних регіонах.
По-друге, незважаючи на можливість генетичного переносу, ми поки не спостерігаємо уніфікацію (одноманітність) генома всіх живих організмів на планеті. Стабільність біологічної системи, якою є клітина і організм, досить висока і обмежує неефективний перенесення генів. Але в той же час саме таке перенесення є інструментом біологічної еволюції, що веде до біорізноманіття. Так що нескоро ведмеді стануть схожі на коршунов, а собаки — на хамелеонів.
