4184 Jak může genový parazit fragmentovat naši DNA Jake Buehler
[ Ezoterika ] 2023-03-30
Nedávný výzkum naznačuje, že mnoho z nekódujících ʺintronovýchʺ segmentů v genech složitých organismů tam mohlo být vloženo parazitickými mobilními genetickými prvky nazývanými intronery - Salme pro časopis Quanta
Nový typ ʺskákacího genuʺ může vysvětlit, proč genomy komplexních buněk nejsou všechny stejně nacpané nekódující sekvencí...
Všechna zvířata, rostliny, houby - které společně tvoří doménu života zvanou eukaryota - mají genomy se zvláštním rysem, který mate výzkumníky již téměř půl století: Jejich geny jsou roztříštěné... informace o tom, jak vyrobit proteiny, nejsou jejich DNA nejsou uspořádány v dlouhých koherentních řetězcích bází. Místo toho jsou geny rozděleny do segmentů s intervenujícími sekvencemi nebo ʺ intronery ʺ, které oddělují exony, které kódují kousky proteinu. Když eukaryota exprimují své geny, jejich buňky musí vystřihnout RNA z intronerů a spojit RNA z exonů, aby rekonstruovaly receptury pro své proteiny. Záhada, proč eukaryoty spoléhají na tento barokní systém, se prohloubila s objevem, že různé větve eukaryotického rodokmenu se značně liší v množství svých intronerů.
Geny kvasinek mají například velmi málo intronerů, ale geny suchozemských rostlin jich mají mnoho. Intronery tvoří téměř 25 % lidské DNA... Jak se tato ohromná, záhadná variace intronery frekvence vyvinula, víří debatu mezi vědci po celá desetiletí.
Spliceosomy, jako ten modelovaný zde, vykonávat životně důležitou práci ve složitých buňkách
Pro odstranění intronery RNA z genů při přepisování a sestavování ostatních segmentů do messenger RNA.
Laguna Design/Science Source
Odpovědi se však mohou konečně objevit z nedávných studií genetických prvků nazývaných intronery, které někteří vědci považují za druh genomického parazita... Tyto kousky DNA mohou vklouznout do genomů a tam se množit a zanechávat za sebou hojnost intronerů. Loni v listopadu vědci předložili důkazy, že intronery to dělají v různých eukaryotách během celé evoluce. Navíc ukázali, že intronery by mohli vysvětlit, proč jsou explozivní zisky intronerů zvláště běžné ve vodních formách života. Jejich zjištění ʺby mohla vysvětlit drtivou většinu zisku intronerů, ʺ řekl Russ Corbett-Detig, hlavní autor nového článku a výzkumník evoluční genomiky na Kalifornské univerzitě v Santa Cruz.
Záhada eukaryotických genomů
Vzhledem k intronerům v jejich DNA, pokud by byly geny eukaryot přeloženy přímo do proteinů, výsledné molekuly by byly typicky nefunkční odpad. Z tohoto důvodu jsou všechny eukaryotické buňky vybaveny speciálními genetickými nůžkami nazývanými spliceosomy. Tyto proteinové komplexy rozpoznávají charakteristické sekvence, které lemují intronerRNA a odstraňují ji z předběžných RNA transkriptů aktivních genů. Poté spojí kódující segmenty z exonů za vzniku messengerové RNA, kterou lze přeložit na fungující protein. (Několik prokaryot má také intronery, ale mají způsoby, jak se obejít bez spliceosomů. Některé z jejich intronerů se například ʺsamo-splicujíʺ (spojují) a automaticky se odstraňují z RNA.)
Merrill Sherman, Časopis Quanta
Proč přírodní výběr v eukaryotech upřednostňoval intronery, které je nutné odstranit spliceosomy, není známo. Klíčem by mohlo být, že intronery umožněný alternativní sestřih je fenomén, který dramaticky zvyšuje rozmanitost produktů, které mohou vzniknout z jediného genu. Když je intronová RNA vystřižena, sekvence exonové RNA mohou být spojeny dohromady v novém pořadí, aby se vytvořily mírně odlišné proteiny, vysvětlil Corbett-Detig.
Navzdory vlivu intronerů na biologii a genetickou složitost eukaryotických organismů zůstal jejich evoluční původ nejasný. Od objevu intronerů v roce 1977 vyvinuli výzkumníci řadu teorií o tom, odkud tyto rušivé sekvence pocházejí. Bylo identifikováno několik mechanismů, které by mohly vytvářet intronery, a všechny mohly přispět některými intronery do eukaryot. Těžko však říci, která z nich, pokud vůbec některá, by mohla vysvětlit, odkud se většina intronerů vzala. Záhada kolem původu intronerů se navíc jen prohlubuje ve světle extrémních změn v tom, kde se intronery mají tendenci objevovat v celém eukaryotním stromu života. Některé linie jsou pro jejich výskyt obzvláště obtížné, což ukazuje na náhlé zaplavení intronery v průběhu jejich evoluční historie.
Corbett-Detig : Když prozkoumáte strom života a kolik intronerů se nachází na každé špičce stromu, docela rychle zjistíte, že musí existovat určité větve, kde se najednou vyvinula absolutní tuna intronerů.ʺ
Jedno z možných vysvětlení těchto výbušných infuzí intronerů zahrnuje neobvyklý druh genetického prvku známého jako introner. Poprvé byly popsány v roce 2009 u jednobuněčných zelených řas Micromonas, intronery se následně objevily v genomech některých dalších řas, některých druhů hub, drobných mořských organismů zvaných dinoflageláty a jednoduchých bezobratlých zvaných pláštěnci. Charakteristickým rysem intronerů je, že vytváří intronery. Intronery se kopírují a vkládají do úseků kódující DNA, které nabízí vhodné místo střihu. Pak pokračují a zanechávají za sebou specifickou sekvenci intronu lemovanou místy střihu, která rozděluje kódující DNA na dva exony. Tento proces lze opakovat v masivním měřítku v celém genomu. Například v houbách se zdá, že intronery představuje většina získaná během cca posledních 100 000 let.
Několik let se genetické prvky nazývaly intronery. Bylo známo, že jsou pouze v několika organismech, jako je dinoflagelát Polarella glacialis (vlevo) a zelené řasy Micromonas. Karin Rengefors, Elodie Foulon/Roscoff Culture Collection, Univerzita Sorbonna a CNRS
Jak toho intronery dosahují, bylo jasnější v roce 2016, kdy výzkumníci zjistili, že intronery u dvou druhů řas mají silnou podobnost s transpozony DNA, členy větší rodiny genetických prvků nazývaných transponovatelné prvky nebo ʺskákací genyʺ. Transpozony také vkládají obrovské množství svých kopií do genomů. Paralely mezi intronery a transpozony silně naznačovaly možnou odpověď na záhadu, odkud většina intronerů pochází. Intronery by mohly způsobit, že intronery vybuchnou v genomech ve velkém množství, což by mohlo vysvětlit přerušovaný vzorec jejich vzniku v různých eukaryotách. Háček byl v tom, že o intronerech bylo známo, že existují pouze v několika organismech.
Landen Gozashti, který prováděl výzkum evoluční genomiky v Santa Cruz, když četl studii řas z roku 2016 se ptal, zda je někdo hledal i jinde. Pohled do vědecké literatury ukázal, že žádná skupina nezveřejnila žádná data o intronerech jinde mezi eukaryotou. Gozashti, nyní na Harvardské univerzitě, Corbett-Detig a jejich kolegové se rozhodli to napravit.
Neviditelní, hojní vetřelci
Tým systematicky skenoval více než 3 300 genomů z celé šíře eukaryotické diverzity - vše od ovcí přes sekvoje až po nálevníky. Použili řadu výpočetních filtrů k identifikaci potenciálních intronerů. Hledali intronery s velmi podobnými sekvencemi a omezovali falešné pozitivy. Nakonec našli tisíce intronerů odvozených od intronerů ve 175 z těchto genomů, asi 5 % z celkového počtu, ze 48 různých druhů. Pět procent se může zdát jako malý střípek eukaryotického koláče. Ale jak se mutace v intronech v průběhu času hromadí, sekvenční podobnosti mezi kopiemi se zhoršují, až už není možné říct, že pochází ze stejného zdroje. Evoluční linie mnoha dnes žijících druhů možná zažily záplavy intronerů, ale jakýkoli příliv, ke kterému došlo před více než několika miliony let, by byl nezjistitelný. Výsledek 5 % proto naznačuje, že intronery mohou být mnohem všudypřítomnější.
Jako genomičtí parazité mohli intronery dosáhnout svého úspěchu prostřednictvím utajení. Dobrý parazit na sebe příliš neupozorňuje. Pokud introner naruší aktivitu genu, do kterého se zabudoval, mohl by poškodit hostitelský organismus a přirozený výběr by mohl genomického parazita zcela odstranit. Takže tyto prvky se neustále vyvíjejí, aby byly ve svém vlivu ʺco nejneutrálnějšíʺ (Valentina Peona, srovnávací genomička z Uppsalské univerzity). Gozashti, Corbett-Detig a jejich kolegové zjistili, jak zdatné intronery proklouznou pod radar, když odhadli efektivitu střihu intronerů, což odráží jejich schopnost vyhnout se narušení funkce hostitelských genů.
ʺIntronery jsou ve skutečnosti spojeni lépe než ostatní introny, ʺ řekl Gozashti. ʺTyhle věci jsou v tom opravdu dobré. ʺ
Spojení s vodou
Práce Gozashtiho a jeho kolegů prokázala, že intronery nejsou mezi eukaryota distribuováni rovnoměrně. Například intronery mají více než šestkrát vyšší pravděpodobnost, že se objeví v genomech vodních organismů než v genomech suchozemských. Kromě toho téměř tři čtvrtiny genomů z vodních druhů, které obsahují intronery, hostí několik rodin intronerů. Tento vzorec lze vysvětlit horizontálním přenosem genů, přenosem genetické sekvence z jednoho druhu na druhý. Tyto neortodoxní přenosy genů mají tendenci se dít ve vodním prostředí nebo v případech úzké mezidruhové asociace, například mezi hostiteli a parazity. Vodní prostředí může podporovat horizontální přenos genů, protože vodné médium se může stát polévkou nukleových kyselin uvolňovaných nesčetnými druhy. Jednobuněčné organismy se v tomto guláši pohybují okolo, takže je pro ně snadné přijmout cizí DNA, která by mohla být začleněna do jejich vlastní. I mnohem složitější mnohobuněčné druhy kladou vajíčka do vody, nebo je oplodňují ve vodě, čímž vytváří příležitostí pro přenos DNA do jejich linií. (Saima Shahid, rostlinná bioložka na Oklahoma State University)
Clément Gilbert, evoluční genomik z Paris-Saclay University, si myslí, že akvatická zaujatost u intronerů je ozvěnou toho, co jeho skupina našla při horizontálních přenosech genů. V roce 2020 jejich práce odhalila téměř 1 000 různých horizontálních přenosů zahrnujících transpozony, které se vyskytly ve více než 300 genomech obratlovců. Drtivá většina těchto přesunů se odehrála v teleostových rybách.
Corbett-Detig (UC Santa Cruz): Pokud si intronery najdou cestu do hostitelů primárně prostřednictvím horizontálních přenosů genů ve vodním prostředí, mohlo by to vysvětlit nepravidelné vzorce velkých přírůstků intronerů u eukaryot. Pozemské organismy pravděpodobně nebudou mít stejné výbuchy intronerů, protože k horizontálnímu přenosu mezi nimi dochází mnohem méně často. Přenesené intronery mohly přetrvávat v genomech po mnoho milionů let jako trvalé suvenýry z života předků v moři a osudný kartáč s obratným genomickým parazitem. Intronery působící jako cizí, invazivní prvky v genomech by také mohly být vysvětlením toho, proč se vkládali tak náhle a explozivně. Obranné mechanismy, které by genom mohl použít k potlačení své zděděné zátěže transposony, nemusí fungovat na neznámém genetickém prvku přicházejícím horizontálním přenosem.
Gozashti: Teď ten prvek blázní po celém genomu. I když jsou intronery zpočátku škodlivé, vědci předpokládají, že selektivní tlaky by je mohly brzy zkrotit tím, že je vyříznou z RNA. Přestože horizontální přenos genů a intronerů sdílí spojení s vodním prostředím, zjištění ještě definitivně neukazují, že odtud intronery pochází. Objev rozšířeného vlivu intronerů zpochybňuje některé teorie o tom, jak se genomy - zejména eukaryotické genomy - vyvíjely.
Všudypřítomnost nedávného zisku intronerů může působit jako protiváha k některým představám o vývoji genomické složitosti. Jeden příklad zahrnuje teorii evoluce intronerů vyvinutou Michaelem Lynchem z Arizona State University v roce 2002. Modely naznačují, že u druhů s malými hnízdícími populacemi může být přirozený výběr méně účinný při odstraňování neužitečných genů. Tyto druhy budou mít proto tendenci vytvářet ve svých genomech hromady nefunkčního genetického odpadu. Naproti tomu druhy s velmi velkými hnízdícími populacemi by neměly získávat mnoho intronerů vůbec. Gozashti, Corbett-Detig a jejich spoluautoři zjistili opak. Někteří mořští protistové s gargantuovskými hnízdícími populacemi měli stovky nebo tisíce intronerů. Naproti tomu intronery byli vzácné u zvířat a chyběly v suchozemských rostlinách - obě skupiny s mnohem menšími chovnými populacemi.
Gozashti: Evoluční závody ve zbrojení mezi invazními genetickými prvky a hostitelem mohou mít podíl na vytváření komplikovanějšího genomu. Parazitické prvky jsou v ʺneustálém konfliktuʺ s genetickými prvky, které patří hostiteli, protože soutěží o genomický prostor. ʺVšechny tyto pohyblivé kusy se neustále navzájem pohánějí k vývoji. To vyvolává otázku, co zisky intronerů znamenaly pro funkční biologii organismů, ve kterých se vyskytly.
Podle Cedrica Feschotte (molekulární biolog, Cornell University) by bylo zajímavé porovnat dva blízce příbuzné druhy, z nichž pouze jeden zažil v nedávné evoluční historii roj intronerů. Srovnání by mohlo pomoci odhalit, jak by příliv intronerů mohl podpořit výskyt nových genů. Víme, že vnesení intronerů může usnadnit zachycení dalších exonů - takže úplně nové věci. Hojnost intronerů by mohla pomoci řídit evoluci rodin genů, které se mohou rychle měnit. Tyto geny plné nových intronerů by mohly kooptovat novou variabilitu umožněnou alternativním střihem.
Genomická práce Landena Gozashti na Harvardské univerzitě se týkala intronerů u několika druhů. Byl inspirován k hledání genetických prvků komplexněji v jiných organismech. Gozashti je postgraduální student v laboratoři Hopi Hoekstra, který působí v poradním sboru. Rychle se vyvíjející geny jsou v přírodě rozšířené. Jedovaté druhy například často potřebují remixovat složité koktejly peptidů ve svých jedech na genetické úrovni, aby se přizpůsobily různé kořisti nebo predátorům. Schopnost imunitního systému vytvářet nekonečně rozmanité molekulární receptory také závisí na genech, které se mohou rychle přeskupovat a rekombinovat. Peona však varuje, že ačkoli intronery mohou organismu poskytnout výhody, mohou být také zcela neutrální. Mělo by to být zváženo - Nevinný, dokud nebude prokázána vina (z čehokoli).
Corbett-Detig: Jednou z věcí, které následují, je sledování metagenomických dat, abychom se pokusili najít případ, který je skutečně jasným horizontálním přenosem s přesně stejnými intronery u dvou různých druhů, Nalezení tohoto kousku skládačky by pomohlo objasnit celý příběh o tom, odkud pochází většina intronerů eukaryot.
Irina Arkhipova, molekulární evoluční genetička z Marine Biological Laboratory na Chicagské univerzitě, má zájem dozvědět se více o tom, jak se intronery šíří genomem v tak velkém měřítku. Nezanechává žádné stopy enzymu, který byl zodpovědný za tento masivní výbuch mobility - to je záhada. V podstatě ho musíte chytit při činu, dokud se ještě pohybuje.
Pro Gozashtiho je objev intronerů v tak široké škále Eukaryot poučením o tom, jak přistupovat k základním otázkám o povaze eukaryotického života: Mysli široce... Studie se často zaměřují na část biologické rozmanitosti, kterou představují zvířata a suchozemské rostliny. Ale abychom pochopili důležité vzorce genomických informací, které jsou základem veškerého života, ʺPotřebujeme sekvenovat více eukaryotické diverzity, více těchto protistských linií, kde nevíme nic o tom, jak se vyvíjejí. Kdybychom jen studovali suchozemské rostliny a zvířata, nikdy bychom nenašli intronery.
![width=](https://www.bibliotecapleyades.net/imagenes_ciencia5/genoma207_01_small.jpg")