For å overleve i det iskalde havvannet rundt Arktis og Antarktis, utviklet det marine livet mange forsvar mot den dødelige kulden. En vanlig tilpasning er evnen til å lage frostvæskeproteiner (AFP) som hindrer iskrystaller i å vokse i blod, vev og celler. Det er en løsning som har utviklet seg gjentatte ganger og uavhengig, ikke bare i fisk, men i planter, sopp og bakterier.

Det er derfor ikke overraskende at sild og smelte, to grupper av fisk som vanligvis streifer rundt i de nordligste delene av Atlanterhavet og Stillehavet, begge lager AFP. Men det er veldig overraskende, til og med rart, at begge fiskene gjør det med det samme AFP-genet - spesielt siden deres forfedre divergerte for mer enn 250 millioner år siden og genet er fraværende fra alle de andre fiskeartene som er relatert til dem.

En marsavis i Trender innen genetikk har den uortodokse forklaringen: Genet ble en del av smelte-genomet gjennom en direkte horisontal overføring fra en sild. Det var ikke gjennom hybridisering, for sild og smelte kan ikke krysse seg, som mange mislykkede forsøk har vist. Sildegenet tok seg inn i smeltegenomet utenfor de normale seksuelle kanalene.

Laurie Graham, en molekylærbiolog ved Queen's University i Ontario og hovedforfatter på papiret, vet at hun kommer med en dristig påstand når hun argumenterer for direkte overføring av et gen fra en fisk til en annen. Den typen horisontal DNA-bevegelse var en gang ikke forestilt å skje hos noen dyr, enn si virveldyr. Likevel, jo mer hun og kollegene studerer smelten, jo klarere blir bevisene.

Heller ikke smelten er unik. Nyere studier av en rekke dyr - andre fisker, krypdyr, fugler og pattedyr - peker på en lignende konklusjon: Den laterale arven av DNA, en gang antatt å være eksklusiv for mikrober, forekommer på greiner gjennom livets tre.

Sarah Schaack, en evolusjonær genomiker ved Reed College i Portland, Oregon, mener at disse tilfellene av horisontal overføring fortsatt har "en ganske stor wow-faktor" selv blant forskere, "fordi den konvensjonelle visdommen så lenge var at det var mindre sannsynlig eller umulig i eukaryoter. ” Men smeltefunnet og andre nyere eksempler peker alle på at horisontale overføringer spiller en innflytelsesrik rolle i evolusjonen.

En oppstrøms kamp

Tilbake på begynnelsen av 2000-tallet studerte Graham AFP under ledelse av laboratorielederen Peter Davies da hun ble slått av den uhyggelige likheten mellom smelteproteinets gen og et av frostvæskegenene produsert av sild. Genenes introner - strekninger av ikke-kodende DNA, som generelt muterer raskere enn kodende regioner - er mer enn 95% identiske. "Den eneste konklusjonen vi kunne komme med var at genet ble overført horisontalt," sa hun.

Men da teamet prøvde å publisere funnene sine, møtte de betydelig tilbakeslag. "Vi sendte den til journal etter journal, og vi måtte virkelig kjempe for å få den inn," husket hun. Timingen deres var kanskje uheldig. I 2001 kom en av de store artikler som beskrev det nylig sekvenserte menneskelige genomet ekstraordinære påstander om horisontalt gen overføringer fra bakterier basert på sammenligninger med noen dyregenomer. Disse påstandene ble raskt tilbakevist av arbeid som viste at artslinjene mellom bakterier og mennesker på livets tre en gang hadde hatt genene, men mistet dem.

"Så kom vi og prøvde å publisere dette, og det var i et klima der folk sa: "Disse påstandene er bunke," sa Graham. Selv etter at papiret til slutt ble publisert i 2008 av PLoS ONE, ble konklusjonene tvilt. «Sannsynligvis sa omtrent halvparten av menneskene i vårt felt: 'Oh! Dette er veldig kult! og den andre halvparten sa: 'Nei. Vi tror deg ikke," sa hun.

Vantroen til funnene deres var forståelig fordi barrierene for horisontal overføring hos eukaryoter så uoverstigelige ut. Horisontale overføringer er vanlige og enkle i bakterier, hvis DNA er akkurat innenfor cytoplasmaet. Hvis et DNA-fragment kan ta seg gjennom en bakteries cellevegg og membran, er det ikke mye som hindrer dets integrering i genomet. Men eukaryoter holder genomet sitt cloistered innenfor en andre barriere, kjernen, og mesteparten av tiden er DNA-et deres tett kondensert til kromosomer som begrenser mulighetene for spleising i genomet. Dessuten, for at en horisontal overføring skal etablere seg i en eukaryot art, kan den ikke integreres i bare noen celles DNA; det må havne i en kjønnscelle, overføres til avkom og vedvare i den generelle befolkningen. Den hendelseskjeden virket veldig usannsynlig for mange forskere.

For ikke å la seg avskrekke undersøkte Graham og hennes kolleger dypere. Ved å klone store biter av smelte-genomet i bakterier, bestemte de at smelte bare har ett AFP-gen. Da de så på de tilsvarende genomiske områdene til andre fisker med publiserte genomsekvenser, fant de ingen spor av et AFP-gen, ikke engang en nedlagt, selv om samlingen av gener som flankerte smeltens AFP-gen var der. «Det tydet på at dette var noe som kom inn; det var en ny ankomst i smelten,” forklarte hun. "Og likevel hadde vi fortsatt folk som sa: 'Nei, vi kjøper det ikke.'"

Til slutt, i 2019, ble en full sekvens for sildens genom publisert. Det lot teamet bedre undersøke sekvensene rundt AFP-genet, hvorav noen så ut til å være transponerbare elementer (TE-er eller transposoner), mobile biter av DNA som kan kopiere og lime seg inn i et genom. Sildegenomet inneholder mange kopier av disse TE-ene, men de er fraværende fra andre fisker - med ett talende unntak. Tre av dem flankerer regnbuesmeltens AFP-gen, i samme rekkefølge sett rundt sild-AFP-genet.

Graham mener at disse sekvensene er et «definitivt bevis» på at en liten del av et sildekromosom kom inn i en smelte. "Hvis noen vil bestride dette," sa hun, "du vet, jeg skjønner ikke hvordan de kan gjøre det."

Cédric Feschotte, en genombiolog ved Cornell University som ikke var involvert i studien, er enig. "Det virker umiskjennelig når du ser på dataene," sa han. Det som virkelig fascinerer ham, er hvor godt dette funnet stemmer overens med arbeidet han og andre gjør med transponerbare elementer og fremveksten av nye gener.

For eksempel, i en 2008 studie i Proceedings of National Academy of Sciences, identifiserte han og kollegene en ny type TE funnet i en uensartet gruppe virveldyr, inkludert få arter av pattedyr, et reptil og et amfibie. Disse TE-ene var mer enn 96% identiske i disse artene, men var merkelig nok fraværende fra andre undersøkte genomer. Fordi elementene så ut til å ha dukket opp plutselig fra ingensteds, kalte Feschotte og kollegene dem Space Invader (SPIN)-elementer og konkluderte med at de nylig må ha beveget seg horisontalt mellom de ulike avstamningene. Disse TE-ene var heller ikke bare genetisk støy i deres nye verter: Mus, for eksempel, hadde fått et helt nytt funksjonelt gen ved å bruke et SPIN-elementenzym.

Siden SPIN-dokumentet fra 2008 er det rapportert om tusenvis av andre horisontale TE-overføringer mellom dyr. Mens disse antatte horisontale overføringene i utgangspunktet ble møtt med overraskelse, omtrent som Grahams AFP-gen var, er bevisene nå ubestridelige.

For kontekst er det verdt å merke seg at horisontale overføringer kan være vanskelige å oppdage: Over tid akkumuleres stadig flere mutasjoner i både den opprinnelige og mottakerlinjen, noe som skjuler likheter i et delt gen. Å bevise at et gen har blitt horisontalt overført avhenger også av å demonstrere at det ikke en gang var tilstede i andre beslektede arter og deretter tapt gjennom evolusjon, noe som kan være vanskelig når noen av disse artene er utryddet.

"Hastigheten av faktisk horisontal overføring er sannsynligvis mye, mye høyere enn vi er klar over," sa Schaack.

Stadig i bevegelse

Selv om ingen vet hvor ofte DNA hopper mellom virveldyrceller, Clément Gilbert, en evolusjonsbiolog ved Paris-Saclay University i Frankrike, og kollegene hans fant minst 975 overføringer da de screenet de 307 virveldyrgenomene som var offentlig tilgjengelige på GenBank på slutten av 2017. Det som skiller seg ut i de dataene er at disse overføringene skjer overveldende mellom fiskene. Nesten 94 % av overføringene involverte strålefinnede fisker; mindre enn 3 % involverte fugler eller pattedyr.

"Jeg er fortsatt veldig forvirret over hvordan dette er mulig," sa han.

En forklaring kan avhenge av sildens berømte sprudlende gyteinnsats. "Hvis du fløy i et fly, og du ser ned på kysten der de gyter, er vannet melkehvitt i fargen, fordi det er så mye sæd som frigjøres under paringsprosessen," sa Graham. De aller fleste av disse sædcellene klarer ikke å finne egg, bryte ned og frigjøre DNA.

Hun tror DNA kan feste seg til kjønnsceller fra andre arter som gyter i samme område, og deretter bli dratt inn i en eggcelle under befruktning. I flere tiår har geningeniører brukt en lignende teknikk kalt sperm-mediert genoverføring å lage transgene organismer. Det er ingen garanti for at dette vil resultere i en vellykket DNA-innsetting, men noen ganger gjør det det – «og så plutselig, bam! Der går du. Du har en transgen organisme,” sa Graham. Dette kan være hvordan AFP-genet for sild kom inn i smelten, og hvor mange av de andre horisontale genoverføringene som Gilbert så i fisk, også skjedde.

Men det kan ikke være den eneste forklaringen: Horisontale genetiske overføringer dukker også opp hos dyr hvis kjønnsceller ikke har samme mulighet til å fange opp feilaktig DNA.

Haike på parasitter

En dag, David Adelson, som studerer genomevolusjon ved University of Adelaide i Australia, ble kontaktet for å få hjelp av sin doktorgradsstudent James Galbraith, som hjalp en kollega med å kommentere genomet til olivenhavsslangen (Aipysurus laevis). Galbraith fant ut at noen av sekvensene ikke var relatert til noe annet som ble funnet hos reptiler. Så Adelson og Galbraith gravde dypere.

Til slutt oppdaget de bevis på syv horisontale overføringer av TE-er inn i havslangens genom. Det var vanskelig å si nøyaktig hvilken art donorene var, men Adelson sa at de beste matchene ble funnet i fisk og i ett tilfelle koraller.

Grahams hypotese om ytre befruktning passer ikke for disse slangene, som befrukter internt og bærer levende unger. Adelson satser i stedet på involvering av parasitter. "Parasitter går fra art til art, de har interessante livssykluser, og de kan være interne," forklarte han. Studier av horisontale overføringer i terrestriske arter har også involvert parasitter.

Samtidig som Atma Ivancevic, nå postdoktor ved University of Colorado, Boulder, var doktorgradsstudent ved Adelsons, sporet hun evolusjonshistorien til TE-er på tvers av virveldyr og andre arter. Av spesiell interesse for henne var TE-ene kalt BovBs - små sekvenser på omtrent 3,000 basepar med en ujevn fordeling blant dyr: De er i kyr og noen pungdyr, men i få pattedyr i mellom, og de dukker også opp i slanger og andre krypdyr . Ivancevic søkte etter bevis på tapet av disse transposonene i mellomlinjene, men fant ingen.

Så fant teamet noe enda mer spennende: BovB-er som var veldig lik de i kyr og slanger var også i flått og veggedyr. Studier har vist at disse bitende parasittene kan sende virus inn i vertene sine gjennom utskilte vesikler som kalles exosomes. Hvis TE-er også kan ende opp i eksosomer, så tror Ivancevic at de bitende parasittene og deres eksosomer i fellesskap kan fungere som vektorer for å overføre TE-er fra en vert til en annen vert.

Forskjeller i hvor ofte ulike arter parasitteres kan derfor bidra til hyppigheten de fanger opp horisontale overføringer med. Forskjellene kan også reflektere noe mer grunnleggende for deres fysiologi eller biokjemi: Enkelte organismer kan være mindre diskriminerende når det gjelder å forhindre vandrende biter av DNA fra å sette seg inn i genomet deres. Kanskje den økte mengden av overføringer i fisk har mer å gjøre med dyrene selv, snarere enn deres habitat.

I virkeligheten, "det er ikke et eneste svar," sa Feschotte. "Det er litt av hvert." Likevel vil det være nyttig å teste disse hypotesene. Ikke bare kan forskningen avdekke potensielle miljøfaktorer involvert; det kan bidra til å belyse nøyaktig hvordan disse overføringene skjer.

Bombardert av DNA

"Hvor ofte tar jeg faktisk opp et stykke DNA fra miljøet mitt, og jeg vet det ikke?" spurte Schaack. «Kanskje mye; kanskje mer enn jeg er klar over." Slike overføringer kan gå ubemerket hen med mindre de skjedde i kjønnsceller. De oppdagede overføringshendelsene må derfor kun utgjøre en liten andel av hele antallet overføringer som skjer.

Den foruroligende muligheten er at horisontale DNA-overføringer kan skje hele tiden. For eksempel en 2020 PLOS Genetics papir fant at TE-er ikke bare hopper inn i mygggenomer, men kan overføres til andre arter gjennom filariale ormer (nematoder) som myggen bærer. "Hvor mange ganger har vi alle blitt bitt av mygg?" spurte Adelson. "Mitt syn er at dette skjer i en forbløffende hastighet. … Jeg vedder på at vi hele tiden blir bombardert.»

Uansett hastigheten på horisontale overføringer, er deres kumulative innvirkning på evolusjonshistorien ubestridelig. Ta effekten av det overførte AFP-genet i smelte. "Vi tror at så snart smelten fikk dette genet, hadde den en umiddelbar selektiv fordel," sa Graham. "Denne selektive fordelen er ikke å fryse i hjel i iskaldt vann." Det betydde at smelten kunne spre seg nordover og nyte frie tøyler i Arktis, og endre sammensetningen av det økosystemet.

Selv om overførbare elementer noen ganger avvises som "søppel" DNA, kan de ha dramatiske konsekvenser. Transponerbare elementer er "den mest spennende, dynamiske og potensielt innflytelsesrike sektoren av genomet," sa Schaack, spesielt fordi de representerer "en intern kilde til mutagenese i hvert genom." Ikke bare endrer de DNA når de limes inn, men fordi de består av repeterende sekvenser, øker deres tilstedeværelse sannsynligheten for genetisk rekombinasjon.

"Alt du vil, kan jeg gi deg et eksempel på hva en transposon kan gjøre og har gjort," sa Feschotte. "Å bringe inn nye gener, nye regulatoriske sekvenser, omorganisere kromosomer - you name it." Han påpeker at immunsystemets evne til å generere et astronomisk mangfold av antistoffer ser ut til å ha kommet fra en TE som plutselig kom inn i genomet til stamfaren til alle kjevevirveldyr for 400 millioner år siden.

Gilbert var enig i at TE-er kan være en enorm kilde til genomisk nyhet. "Det faktum at disse elementene overføres mye mellom taxa gjennom horisontal overføring, og ikke bare gjennom vertikal utvikling, betyr at horisontal overføring har en viktig innvirkning," sa han.

Selv om overføringer til somatiske celler er evolusjonære blindveier, kan de påvirke helsen og fitnessen til individer, bemerket Adelson. Å endre en hvilken som helst celles genom kan ha fysiologiske konsekvenser, for eksempel å utløse en kreftvekst. "Vi har rett og slett ingen anelse om hva virkningen av disse tingene kan være," sa han.

Fremtidige studier kan kvantifisere hastigheten på DNA-overføring i hverdagen vår. Nylige fremskritt innen enkeltcellet og langlest sekvensering setter eksperimentene som trengs for å se overføringer i sanntid innen rekkevidde, sa Adelson. "Jeg tror den første gangen noen rapporterer at det er en overføring av DNA fra et myggstikk til et menneske ... det vil få litt oppmerksomhet," sa han.

Utviklingen innen evolusjonær modellering og genetikk kan også endelig tillate oss å lete etter eldgamle genoverføringer som var for vanskelig å få øye på for bare et tiår siden. Gilbert mener nok hele genomer nå er sekvensert til at han kunne skanne virveldyrtreet for overføringer av hele gener, omtrent som han og kollegene hans oppdaget hundrevis av TE-overføringer. "Vi har tenkt på å gjøre det," sa han. "Vi må bare gjøre det."