Горизонтальный перенос генов: основы генетики, история открытия, принцип действия и примеры
С момента обнаружения такого феномена, как горизонтальный перенос генов, а именно не от родителей к потомкам, весь живой мир на нашей планете представляется единой информационной системой. И в этой системе становится возможным заимствование удачного эволюционного изобретения одного вида другим. Что такое вертикальный и горизонтальный перенос генов, каковы механизмы этого процесса и примеры в органическом мире – обо всем этом статья.
Гены соседа
Каждому известно, что свои гены мы получаем от родителей. А они — от своих родителей. Это и есть вертикальный перенос. И если вдруг произойдет мутация, которая окажется полезной для выживания или приспособления, и закрепится в геноме популяции, то вид приобретет преимущества в борьбе за существование.
При этом у человека свои гены, у тли — свои, а у акул — свои. Попасть им между видами практически нет возможности. Но иногда такое случается – это и есть перенос генов горизонтальный.
Именно этим и занимается современная генная инженерия. Генномодифицированные организмы являются результатом такого переноса генов (например, светящаяся тихоходка на фото выше). Но в природе это явление существует давно.
Суть вопроса
Вертикальный перенос генов — явление передачи наследственного материала от родительских форм к дочерним организмам.
Горизонтальный перенос генов — это существующая в природе ситуация передачи генов от одного взрослого организма к другому. При этом два организма объективно существуют, а иногда — относятся к разным биологическим видам.
Пример горизонтального переноса генов у бактерий – перенос генов устойчивости (резистентности) от одного штамма бактерий к другому.
Необходимые условия
Для понимания данного явления необходимо знать условия, при которых такой перенос возможен в принципе, а именно:
- Необходимо наличие посредника для «транспорта» генов от одной клетки к другой, от одного организма к другому.
- Необходимо наличие молекулярного механизма, который позволит встраивать чужеродные гены в хозяйский генный набор.
Названные условия вполне могут выполнять ретровирусы и другие транспозооны (элементы ДНК). И именно такие способы горизонтального переноса генов сегодня взяла на вооружение генная инженерия.
Хотя сегодня механизмы такого переноса генов только изучаются, кроме вирусов, такой перенос может происходить и при помощи свободных участков дезоксирибонуклеиновых кислот (транспозоонов), которые попадают в организм посредством простого заноса или с паразитическими организмами. Последние могут менять не только генетический аппарат хозяина, но и его экологическое место в системе биоценоза.
История вопроса
Именно перенос генов резистентности к антибиотикам между разными штаммами бактерий был впервые описан в Японии в 1959 году.
Уже к середине 90-х годов прошлого столетия молекулярными биологами было доказано, что горизонтальный перенос генов у прокариот и эукариот был вовлечен в эволюционное развитие жизни на нашей планете.
В 2010 году было опубликовано исследование профессора Седрика Фешотта, в котором был представлен анализ генома опоссума и обезьян саймири. Их укусил один вид клопа. В геномах млекопитающих был обнаружен транспозоон, идентичность которого с насекомым составляет 98%. К сведению, кусают эти клопы не только обезьянок и опоссумов.
С этого момента гипотеза горизонтального переноса генов между разными доменами организмов стала новой парадигмой биологии.
Разноцветные букашки
И если горизонтальный перенос генов у бактерий последние 30 лет не вызывал сомнений у биологов, то его возможность у многоклеточных вызывала множество вопросов. Именно тогда внимание биологов привлекла обычная тля, у которой встречаются особи с зеленым и красным цветом тельца.
Анализ пигментов, которые придают окраску красным особям, выявил наличие каротиноидов – растительных пигментов. Откуда же у тли взялись гены, которые присущи исключительно растительным организмам? Сегодня секвенировать геном букашки – дело довольно простое для исследователей. Именно так было обнаружено, что гены тли, ответственные за синтез красного пигмента, полностью идентичны таковому у некоторых грибов, которые паразитируют в организме тли, не причиняя ей видимого вреда.
Вероятнее всего, на заре эволюции тли (около 80 миллионов лет назад) и произошел сбой в генетической машине и гены грибов оказались встроенными в геном букашки.
Эволюция и биоразнообразие
Вся филогенетическая систематика органического мира базируется на Дарвиновском понятии дивегренции. Суть его заключается в следующем: как только между популяциями вида возникает репродуктивная изоляция, можно говорить о процессе видообразования. И уже два вида продолжают эволюционировать на основе естественного отбора и случайных мутаций.
Открытие горизонтального переноса генов между видами и более крупными таксонами только доказало, что за столь короткий по космическим меркам срок (4 миллиарда лет) живая материя на нашей планете могла пройти путь от одноклеточных форм до высокоорганизованных многоклеточных.
Таким образом, вся биота планеты становится единой лабораторией по созданию новых наследственных признаков, и именно горизонтальное движение генов смогло и продолжает существенно ускорять эволюционный процесс.
Возьмем взаймы немного генов
В 2015 году генетик Алистер Крисп из Кембриджа (Великобритания) провел изучение геномов 12-ти видов плодовых мушек дрозофил, 4-х видов круглых червей и 10-ти видов приматов (один из которых — человек). Ученый искал «чужеродные» участки ДНК.
Результаты исследований подтвердили наличие в геномах 145 участков, которые стали результатом горизонтального переноса генов у эукариот.
Часть этих генов участвует в метаболизме белков и липидов, другая — в иммунных реакциях. Главное, удалось выявить вероятных доноров этих генов. Ими оказались протисты (простейшие эукариоты), бактерии (прокариоты) и грибы.
А что в отношении нас
Уже достоверно известно, что путем горизонтального переноса генов у человека появились гены, ответственные за группы крови АВ0.
Большинство фактов такого переноса генов у приматов имеет очень древнее происхождение и относится ко времени существования общего предка с другими хордовыми животными.
По данным последних исследований, за формирование плаценты у человека отвечает в том числе и ген вируса, который был захвачен где-то на заре формирования плацентарных животных.
Результаты секвенирования генома человека показали, что в нем содержится порядка 8% кусочков вирусных геномов, которые называются «спящие гены».
Эра мутантов
Вот мы и подходим к теме страшилок, которыми пугают зеленые активисты. А вдруг эти «спящие» гены включатся? Или вот кусает человека клещ и перетягивает к нему в геном какую-то жуть? Или съедаем мы генномодифицированную сою и становимся мутантами? Но ведь за 4 миллиарда лет биоразнообразие на планете только увеличивалось, а мы с вами все еще мало похожи на китов, как и тля — на грибы. Почему так?
Во-первых, механизм горизонтального переноса существует в природе столько, сколько существует сама жизнь. И на примере тли отлично видно, что такой перенос генов был направлен именно на повышение приспособленности организмов к условиям окружающей среды (красненьких хуже видно на определенных частях растений). И генные инженеры в этом смысле не придумали ничего нового. Томаты с генами арктических рыб имеют повышенную холодоустойчивость, что позволяет выращивать их в северных регионах.
Во-вторых, несмотря на возможность генетического переноса, мы пока не наблюдаем унификацию (однообразность) генома всех живых организмов на планете. Стабильность биологической системы, которой является клетка и организм, достаточно высокая и ограничивает неэффективный перенос генов. Но в то же время именно такой перенос является инструментом биологической эволюции, который ведет к биоразнообразию. Так что нескоро медведи станут похожи на коршунов, а собаки — на хамелеонов.
