ทฤษฎีวิวัฒนาการที่ซับซ้อนของ 'Jumping Genes' กับ DNA ที่ใช้ร่วมกันข้ามสายพันธุ์

DNA มักชอบทำตามกฎ ดีเอ็นเอของสายจะถูกคัดลอกมาอย่างค่อนข้างซื่อสัตย์และสำเนานั้นถูกส่งผ่านจากผู้ปกครองไปสู่ลูกหลานดังนั้นจึงเป็นตัวขับเคลื่อนวิวัฒนาการที่เรารู้จัก แต่จากการคาดการณ์ใหม่จีโนมของคุณห้าสิบเปอร์เซ็นต์นั้นประกอบด้วย DNA หักหลังที่ชอบกระโดดจากสปีชีส์หนึ่งไปยังสปีชีส์ DNA อันธพาลนี้นักวิจัยเขียนใน ชีววิทยาของจีโนม บทความที่ตีพิมพ์เมื่อวันจันทร์ได้สุ่มแทรกตัวเข้าไปในจีโนมเกือบทุกดวงบนโลกใบนี้ตลอดวิวัฒนาการของสิ่งมีชีวิต สิ่งเหล่านี้ล้วนแล้วแต่เป็นเหตุการณ์ลึกลับที่เกิดขึ้นเมื่อหลายล้านปีก่อน

Atma Ivancevic, Ph.D., นักประสาทวิทยาหลังปริญญาเอกและนักวิจัยด้านชีวสารสนเทศและนักเขียนนำของกระดาษเริ่มการศึกษาของเขาโดยการพยายามที่จะอธิบายว่าทำไม DNA อันธพาลเดียวกันสามารถพบได้ในสัตว์ที่แตกต่างกันอย่างมากมายเช่นเม่นทะเลและมนุษย์ ได้รับการยอมรับแล้วว่าสปีชีส์ส่วนใหญ่บนโลกใช้วัสดุทางพันธุกรรมจำนวนมาก - คุณอาจเคยได้ยินว่ามนุษย์มีส่วนแบ่งดีเอ็นเอประมาณ 99 เปอร์เซ็นต์กับลิงชิมแปนซี แต่ยีนเหล่านี้แตกต่างกัน

“ ‘ยีนที่กระโดดได้” ไม่ได้เป็นยีนจริงๆ พวกเขาเป็นชิ้นส่วนที่ไม่เข้ารหัสของ 'ขยะดีเอ็นเอ' 'เธอบอก ผกผัน ในอีเมล “ ลองนึกถึงพวกมันเช่นปรสิตทางพันธุกรรมกระโดดไปรอบ ๆ จีโนมเพื่อทำซ้ำตัวเองอย่างเห็นแก่ตัวและบางครั้งก็กระโดดระหว่างสปีชีส์”

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเราเริ่มเข้าใจถึงการทำงานของ DNA อันธพาลเหล่านี้ แต่เราก็ยังไม่รู้ว่ามันทำอะไรอยู่ นี่คือความลึกลับที่อยู่เบื้องหลังยีนที่กระโดด: พวกมันคือเส้นทางของ DNA ที่กระจัดกระจายไปทั่วต้นไม้แห่งชีวิต ตอนนี้ขอขอบคุณบทความนี้ในที่สุดเราอาจค้นพบวิธีที่พวกเขาทำสิ่งสกปรก

โอนแนวนอน

การวิจัยของ Ivancevic พบว่ามีสองลำดับของการกระโดดดีเอ็นเอขยะที่สามารถตรวจสอบได้ในสายพันธุ์ที่หลากหลายเรียกว่า BovB และ L1 นักวิจัยเรียกรูปแบบเหล่านี้องค์ประกอบ transposable (TEs) เพราะพวกเขา "คัดลอกและวาง" ตัวเองแบบสุ่มทั่วยีนของสัตว์จากเม่นทะเลไปจนถึงวัวกับมนุษย์ กระบวนการที่แปลกประหลาดนี้ซึ่ง TE ได้รุกรานสารพันธุกรรมของสปีชีส์อื่นเรียกว่า โอนแนวนอน.

ความเข้าใจมาตรฐานของเราเกี่ยวกับการทำสำเนาอธิบายโดย โอนแนวตั้ง สมมติฐานที่ว่าสารพันธุกรรมส่วนใหญ่มักจะส่งผ่านจากพ่อแม่สู่ลูก

เมื่อคุณวาดแผนภูมิต้นไม้คุณมักจะวาดเด็กที่อยู่ภายใต้พ่อแม่ของพวกเขาและในแง่หนึ่งยีนมักจะตกอยู่ตามรุ่นในลักษณะนั้น แต่ TEs บางคนก็เคลื่อนไหว แนวนอน ข้ามต้นไม้แห่งชีวิต "กระโดด" จาก DNA ของสิ่งมีชีวิตหนึ่งไปยังอีกสิ่งหนึ่งผ่านผู้ส่งสารที่เรียกว่า "เวกเตอร์" นักวิทยาศาสตร์ไม่เข้าใจอย่างเต็มที่ว่ากระบวนการทำงานระหว่างสปีชีส์อย่างไร แต่พวกมันมีลางสังหรณ์เกี่ยวกับเวกเตอร์

สิ่งมีชีวิตบางชนิดเช่นแบคทีเรียสามารถถ่ายโอนยีนในแนวนอนได้ดีและมักทำตามธรรมชาติโดยไม่มีเวกเตอร์ สัตว์ไม่สามารถทำเช่นนั้นได้ แต่เป็นไปได้ ที่ติดเชื้อ โดยแบคทีเรียซึ่งสามารถทำหน้าที่เป็นพาหะ บทความนี้นำเสนอผู้สมัครที่มีแนวโน้มน้อยสำหรับบทบาทผู้ส่งสารนี้รวมถึงตัวเรือด, เห็บและตั๊กแตนและมันยังเสนอสัตว์น้ำเวกเตอร์ที่มีศักยภาพเช่นหอยนางรมและหนอนทะเล นี่คือเวกเตอร์เหล่านี้ที่น่าจะเคลื่อนลำดับดีเอ็นเอขยะสองบิตคือ BovB และ L1 ข้ามสปีชีส์

สิ่งที่น่าสนใจจริงๆคือสิ่งที่เกิดขึ้นเมื่อ DNA ไปถึงที่นั่น หลังจากเหตุการณ์การถ่ายโอนเกิดขึ้น Ivancevic และทีมของเธอแสดง DNA สามารถทำซ้ำอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างเช่น BovB เชื่อว่าเกิดขึ้นเป็นครั้งแรกในงูแล้ว "กระโดด" เพื่อวัวผ่านเหตุการณ์การถ่ายโอนแนวนอนเมื่อหลายล้านปีก่อนที่มันจำลองแบบหลายครั้ง คิดว่าเป็นการทำสำเนาและวางแบบมาตรฐานมีเพียงคุณเท่านั้นที่กดปุ่มควบคุม -V ซ้ำแล้วซ้ำอีก

“ สำหรับฉันสิ่งที่น่าประหลาดใจที่สุดไม่ใช่การถ่ายโอน แต่ผลกระทบต่อจีโนมของโฮสต์หลังจากการถ่ายโอน” Ivancevic กล่าว “ ตอนนี้ BovB ครองประมาณ 25% ของลำดับจีโนมของวัว นั่นเป็นการเปลี่ยนแปลงครั้งใหญ่!”

กำลังมองหา Big Jumps

เพื่อดูว่าต้นไม้เหล่านี้ถูกแทรกซึมเข้าไปในต้นไม้แห่งชีวิตได้อย่างไรทีมของ Ivancevic ได้ตรวจสอบจีโนมของสายพันธุ์ 759 ชนิด พวกเขาพบว่าลำดับ BovB ในสัตว์นั้นเกี่ยวข้องกับงูวัวเม่นทะเลค้างคาวและม้า (แม้ว่าค้างคาวและม้าจะมีลำดับ BovB ทั้งหมดน้อย) ลำดับ L1 ดูเหมือนจะแพร่หลายมากขึ้น ในขณะที่ 79 สปีชีส์มีลำดับ BovB 559 ชนิดมีลำดับ L1 ในอดีตเชื่อว่า L1 ถูกถ่ายโอนในแนวตั้งเท่านั้นดังนั้นการค้นหาลำดับ L1 ในสายพันธุ์ที่แตกต่างกันเหล่านี้จึงเป็นความก้าวหน้า

BovB มีนักวิจัยที่น่าสนใจอยู่เสมอเพราะมันทำให้ "กระโดดใหญ่" ระหว่างสปีชีส์ที่สัมพันธ์กันโดยมีหลักฐานว่าเหตุการณ์การเคลื่อนย้ายแนวนอนบางประเภทเกิดขึ้น แต่การวิเคราะห์ก่อนหน้านี้มีเพียงไม่กี่ตัวอย่างเท่านั้นที่การเรียงลำดับของ L1 ทำให้เกิดการกระโดดครั้งใหญ่ซึ่งทำให้นักวิจัยสรุปได้ว่า L1 อาจผ่านลงมาในแนวตั้งเท่านั้น

ด้วยการคัดเลือกเครือข่ายที่กว้างขึ้นทีมงานของ Ivancevic แสดงให้เห็นว่ามีการกระโดดจีโนมมากขึ้นกว่าที่เราเคยคิด “ การใช้สัตว์พืชและเชื้อราช่วยคัดกรองจีโนมได้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ด้วยข้อมูลปัจจุบัน ไม่มีการศึกษามากมายที่มองหาการถ่ายโอนข้ามราชอาณาจักรในวงกว้าง” เธอกล่าว

การค้นพบว่า L1s มีอยู่ใน 559 สปีชีส์เป็นหลักฐานที่น่าสนใจว่า L1s มี ทำให้การกระโดดครั้งใหญ่เหล่านี้ ทีมชี้ไปที่ L1“ กระโดด” ที่ยังไม่ได้ค้นพบก่อนหน้านี้ในสายพันธุ์สัตว์ทะเลเมื่อหลายล้านปีก่อนเป็นจุดเริ่มต้นที่เป็นไปได้สำหรับยีนขยะนี้เพื่อเข้าสู่ DNA ของสายพันธุ์ในอาณาจักรที่แยกจากกันโดยสิ้นเชิง

พวกเขาเขียนว่าหนึ่งในเหตุการณ์แนวนอนเหล่านี้อาจทำให้ลำดับ L1 เป็นบรรพบุรุษของสัตว์เลี้ยงลูกด้วยนม“ therian” - สัตว์ที่ไม่ได้วางไข่ - ระหว่าง 160 และ 191 ล้านปีก่อน จากนั้นลำดับอาจถูกส่งลงในแนวตั้งไปยังลูกหลานทั้งหมดของสัตว์โบราณเหล่านั้นรวมถึงบางทีมนุษย์ ในขณะที่ L1 ส่วนใหญ่จะมีการแยกส่วนและไม่ทำงานในมนุษย์ แต่ก็ยังคงมีจีโนม 17 เปอร์เซ็นต์ของเรา

การค้นพบเช่นนี้แสดงให้เห็นว่าแม้แต่พลังที่น้อยที่สุดก็สามารถก่อร่างวิวัฒนาการได้ บางทีหลายล้านปีก่อนบรรพบุรุษที่อยู่ไกลที่สุดคนหนึ่งของเราเข้าสู่การทะเลาะกับศัตรูพืชดูดเลือดที่อาศัยอยู่ในทะเล - บางทีมันอาจเป็นหนอนทะเลและก็ได้รับการฉีดดีเอ็นเอแบบสุ่ม ตอนนี้หลายล้านปีต่อมาการเปลี่ยนแปลงเหล่านั้นยังคงอยู่ในเราและเรายังคงหาบทบาทที่พวกเขาเล่น

“ มันแสดงให้เห็นว่าการแลกเปลี่ยนดีเอ็นเอแบบสุ่มสามารถสร้างวิวัฒนาการของเราได้มากแค่ไหน” Ivancevic กล่าว