Biologen begrijpen al meer dan een eeuw de grote lijnen van de erfelijkheidsregels: dat genen binnen een soort van ouder op kind worden doorgegeven. Maar in recentere jaren zijn ze zich ook bewust geworden van genen die schurkenstaten zijn en zijdelings tussen soorten springen - of het nu kikkergenen zijn in Madagaskar die oorspronkelijk van slangen kwam, of antivriesgenen gevonden in koudwatervissen zoals haring dat overgebracht naar smelten. Het mechanisme dat deze genoverdracht mogelijk maakt, is onduidelijk, hoewel vermoed wordt dat virussen een rol spelen.

In nieuw onderzoek gepubliceerd Wetenschap, onderzoekers hebben een unieke klasse van genetische elementen geïdentificeerd als de agenten die verantwoordelijk zijn voor het pendelen van bepaalde genen tussen meerdere soorten eenvoudige ongewervelde dieren die rondwormen worden genoemd. Een sprong van de ene worm naar de andere klinkt misschien niet zo veel, maar de wormen in kwestie zijn vele miljoenen jaren geleden uiteengegaan, waardoor ze op moleculair niveau net zo verschillend zijn als vissen en mensen. De genetische elementen, genaamd Mavericks, zijn gedetecteerd in een breed scala van dieren, zowel ongewervelde dieren als gewervelde dieren, en ze vertonen veel kenmerken die in het genoom van virussen worden aangetroffen. Gezien die eigenschappen vermoeden onderzoekers dat Mavericks - en vergelijkbare elementen, waaronder enkele die nog niet ontdekt zijn - hebben mogelijk de horizontale genoverdracht door de geschiedenis van het leven bemiddeld.

Terwijl bacteriën, virussen en veel protisten vaak DNA uitwisselen, hebben meercellige dieren beschermende barrières rond hun voortplantingscellen die over het algemeen de opname van vreemd DNA voorkomen. Irina Arkhipova, een moleculair geneticus van het Marine Biological Laboratory in Woods Hole, Massachusetts, die niet betrokken was bij het onderzoek, zei dat het onthult hoe de "barrières af en toe kunnen worden doorbroken" in sommige dierlijke geslachten om genen over te dragen.

Om die reden is een DNA-element dat codeert voor het vermogen om genen over te brengen naar het genoom van een compleet andere soort "een behoorlijk grote ontdekking", zei SaraH Zanders, een geneticus aan het Stowers Institute for Medical Research die ook niet betrokken was bij het onderzoek.

Eerdere studies van horizontale overdrachten waren vaak gericht op de mobiele genetische elementen die transposons worden genoemd. Deze bevoorrechte "springgenen" kunnen rond het genoom van een organisme huppelen door zichzelf te repliceren en hun kopieën in te voegen. Hun enige zorg is om hun eigen overleving binnen het genoom te bevorderen in plaats van de geschiktheid van het organisme, en daarom worden ze vaak gecategoriseerd als "egoïstische" genen. Omdat rondwormen een snelle levenscyclus en een eenvoudig lichaamsplan hebben, zijn het ideale modelorganismen om dit soort genetisch parasitisme te bestuderen.

Sommige rondwormen dragen een genetisch element dat zo fascinerend egoïstisch is dat het voortbestaan ​​van het nageslacht afhangt van het erven van ten minste één exemplaar ervan. Het bevat een duo van genen, één coderend voor een toxisch eiwit en één coderend voor een tegengif dat het toxine neutraliseert. Een moederworm die dit element draagt, deponeert het gif in haar eieren. Wanneer de eieren worden bevrucht, overleven alleen nakomelingen die het tegengifgen tot expressie kunnen brengen. Het is alsof het toxine-tegengif-element heeft het genoom van de worm gegijzeld om zijn voortplanting te verzekeren.

Genen tussen genomen plakken

In 2021, wanneer Israël Campo Bes was een afgestudeerde student aan het Instituut voor Moleculaire Biotechnologie van de Oostenrijkse Academie van Wetenschappen in Wenen, werkte hij soms laat aan het zoeken naar genen die verband houden met de genetische elementen van het toxine-tegengif in verschillende rondwormen. Op een winderige zomernacht om bijna 2 uur 's nachts merkte hij iets op. Het toxine-gen in één worm leek bijna precies op een gen voor een andere functie in een andere wormsoort. Ze waren verbazingwekkend vergelijkbaar - met bijna 97% nucleotide-overeenkomst. "Het leek alsof de ene worm zijn genen had gekopieerd en op de een of andere manier in het genoom van de andere had geplakt", zei hij.

"Ik vond het ook heel verrassend", zei hij Alejandro Burga, de senior moleculair geneticus in het laboratorium. Om de oorsprong van de gedeelde elementen te ontdekken, besloten Burga en het team om het omliggende DNA te onderzoeken. Ze zagen herhaalde sequenties in het DNA dat de genen flankeerde - een eigenschap van transposons die hen helpt om binnen een genoom te springen door ervoor te zorgen dat de ingevoegde kopieën de juiste oriëntatie behouden. Het team ontdekte ook de overblijfselen van verschillende virale genen: een voor een omhullend capside-eiwit, een die gewoonlijk virale replicatie ondersteunt, en een voor een "lijm" die viraal DNA integreert in een gastheergenoom.

"Het was als een archeologische opgraving - we bleven aanwijzingen ontdekken", zei Burga.

Het volledige beeld van het genoom onthulde dat het pendelgen was ingebed in een reeks virusachtige genen en een transposon, waarvan Burga herkende dat ze allemaal een Maverick.

Mavericks zijn een oude en gefragmenteerde klasse van springgenen die veel voorkomen in het genoom van protisten, schimmels en dieren, inclusief mensen. Aanvankelijk werd aangenomen dat deze enorme mobiele elementen inactieve, gemuteerde overblijfselen waren van verouderde genen. Maar later onderzoek wees dat uit Mavericks kunnen worden gereactiveerd en dat ze horizontale genoverdracht kunnen bemiddelen tussen sommige soorten protisten. Compleet, intact Mavericks was nog nooit gekarakteriseerd in een meercellig organisme. De rondwormen boden daarom een ​​zeldzame kans om ze te bestuderen.

De Maverick in een van deze rondwormen had echter een extra gen - een die codeert voor een eiwit dat een fusogen wordt genoemd en dat een virus in staat stelt te fuseren met een cel en zijn genoom erin over te brengen. "Zonder fusogen zou het virus zijn genen niet kunnen overdragen", zei hij Sonya Angeline Verbreed, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Burga en co-hoofdauteur met Bes van de nieuwe studie. De ontdekking van het eiwit suggereerde dit sterk Maverick had het vermogen om een ​​virusachtig deeltje te vormen en verschillende celtypen binnen te dringen.

Mavericks Doe het onorthodoxe

Burga's team zocht snel in de rondwormgenoomdatabase naar andere voorbeelden van ingebedde genen zoals vracht voor transport Mavericks. Het werd al snel duidelijk dat degene die ze hadden gevonden geen geïsoleerd geval van horizontale genoverdracht was. In meer dan 100 genomen rondwormen verspreid over 11 of meer geslachten, waren twee genenfamilies vaak door de Maverick deeltjes en uitgebreid overgedragen tussen soorten. Volledige en onvolledige overblijfselen van de genetische elementen doordrongen verschillende wormpopulaties over de hele wereld, van Noord-Amerika tot India tot een kilometers diepe goudmijn in Zuid-Afrika.

Hoewel het indirecte bewijs sterk suggereert dat dit wel het geval is Maverick de horizontale overdracht van genen tussen de rondwormsoorten mogelijk maakte, hebben onderzoekers het nog niet op heterdaad betrapt. Burga en zijn team erkennen dat hun belangrijke volgende stap zal zijn om een ​​manier te vinden om virusachtig te induceren Maverick deeltjes vormen terwijl ze ze onder een microscoop observeren.

Het werk kan een praktisch nut hebben. Veel rondwormsoorten zijn parasieten die landbouwgewassen en vee infecteren. Als onderzoekers begrijpen hoe Mavericks werken, is het misschien mogelijk om ze te gebruiken om de parasieten te bestrijden door er genen in te brengen.

"Het is niet iets dat we op de juiste manier kunnen doen," zei Burga, "maar hopelijk over een paar jaar."

Er is reden om aan te nemen dat genoverdracht met behulp van massieve transposons vaker voorkomt in de natuur. Recent onderzoek onder leiding van Aäron Vogan van de Universiteit van Uppsala in Zweden heeft enorm gevonden mobiele genetische elementen genoemd Ruimteschepen die genen heen en weer sturen in meerdere soorten schimmels. Vogan vermoedt dat Ruimteschepen het overdragen van sleutelgenen tussen schimmelpathogenen kan de nieuwe stammen hebben gecreëerd die voortschrijdende epidemieën van tarweziekten veroorzaken, zoals geelbruine vlek (gele bladvlek). De ziekten hebben sinds de jaren zeventig wereldwijd grote oogstverliezen veroorzaakt, met in extreme gevallen meer dan 1970% oogstverlies. "Dus het begrijpen van de dynamiek van veranderingen in het genoom door een dergelijke horizontale genoverdracht heeft gevolgen voor de hele biologie", zei Vogan.

Onderzoekers zijn gaan beseffen dat transposon-achtige genetische elementen "belangrijkste aanjagers van genoomevolutie" zijn, zei Zanders. Om genomen echt te begrijpen, moeten we deze "egoïstische elementen" begrijpen die tussen soorten kunnen springen, voegde ze eraan toe.