"Hoppa Genes" Komplicera Evolutionsteori med DNA-delat över arten

DNA brukar vilja följa regler. DNA-strängar kopieras något troget, och kopiorna överförs från föräldrar till avkommor, vilket leder till evolution som vi känner till. Men enligt nya uppskattningar är femtio procent också ditt genom bestående av renegad DNA som tycker om att hoppa från art till art. Detta skurkliga DNA, forskare skriver i en Genombiologi artikel publicerad måndag, har slumpmässigt infört sig i nästan alla genom på denna planet under hela livets utveckling. De är alla som återstår av en serie mystiska händelser från miljoner år sedan.

Atma Ivancevic, Ph.D., en postdoktoral neurogenetik och bioinformatikforskare och huvudförfattare av tidningen, började sin studie genom att försöka förklara varför samma rogue-DNA kan hittas hos djur som är väldigt annorlunda än havsborrar och människor. Det är uppenbart att de flesta arter på jorden delar en stor mängd genetiskt material - du har nog hört att de människor delar ungefär 99 procent av vårt DNA med chimpanser - men dessa gener är olika, säger Ivancevic.

"Hoppande gener" är egentligen inte gener; de är icke-kodande bitar av "skräp DNA", säger hon Omvänd i ett mail. "Tänk på dem som genetiska parasiter, hoppa runt genomet för att själviska replikera sig, och ibland hoppa mellan arter."

Under de senaste åren har vi börjat förstå funktionen hos dessa skumma bitar av DNA, men vi vet fortfarande inte exakt vad de gör. Detta är mysteriet bakom hoppande gener: De är brödsmulor av ett DNA-spår, spridda genom livets träd. Nu, tack vare det här papperet, kan vi äntligen ta reda på hur de gjorde en sådan röra.

Horisontell överföring

Ivancevics forskning fann att det finns två sekvenser av hoppande skräp-DNA som kan spåras över ett stort antal arter, som kallas BovB och L1. Forskare kallar dessa mönster transposerbara element (TE) eftersom de "kopierar och klistrar" sig slumpmässigt genom generna av djur från havsborrar, till kor, till människor. Denna underliga process, där ett TE invaderar en annan arts genetiska material, kallas horisontell överföring.

Vår standardförståelse för reproduktion beskrivs av vertikal överföring, antagandet att det flesta genetiska materialet vanligtvis går ner från föräldra till barn.

När du drar ett släktträd, ritar du vanligtvis barn under sina föräldrar, och i en mening tenderar gener att följa generationer på det sättet. Men vissa tee flyttar vågrätt över livets träd "hoppar" från en organisms DNA till en annan via en budbärare som kallas en "vektor". Forskare förstår inte helt hur processen fungerar mellan arter, men de har en förvirring om vad vektorerna kan vara.

Vissa organismer, som bakterier, är riktigt bra vid horisontell överföring av gener och gör det ofta naturligt utan vektor. Djur kan inte göra det, men de kan vara smittad av bakterier, som då kan fungera som vektorer. I papperet föreslås några få sannolika kandidater för denna messengerroll, inklusive sängbuggar, fästingar och johannesbröd, och det nominerar också några potentiella vattenlevande vepsvaror, som ostron och havsmaskar. Det är dessa vektorer som sannolikt rörde de två bitarna av skräp DNA-sekvenser, BovB och L1, över olika arter.

Vad som är väldigt intressant är vad som händer när DNA kommer dit. Efter en övergångshändelse händer, visar Ivancevic och hennes lag, DNA kan replikera snabbt. Till exempel antas BovB först ha uppkommit i ormar och sedan "hoppade" till kor via övergripande överföringshändelser för många år sedan, där det replikerades flera gånger. Tänk på det som att göra en vanlig kopia och klistra, bara du slår kontroll-V om och om igen.

"För mig var det mest överraskande inte överföringen, men effekterna på värdgenomet efter överföring", säger Ivancevic. "Nu upptar BovB cirka 25% av kogenom-sekvensen. Det är en stor förändring!"

Letar efter stora hopp

För att se hur långt in i livets träd dessa infiltrerade infiltrerade, undersökte Ivancevics lag genomsygen av 759 arter. De hittade BovB-sekvensen hos djur så långt som slanger, kor, havsborrar, fladdermöss och hästar (även om fladdermöss och hästar hade låga antal kompletta BovB-sekvenser). L1-sekvensen tycktes vara ännu mer utbredd. Medan 79 arter hade BovB-sekvenser, 559 arter hade L1-sekvenser. Historiskt ansågs L1 endast överföras vertikalt, så att finna Ll-sekvensen i dessa olika arter var ett genombrott.

BovB har alltid fascinerat forskare eftersom det gör "stora hopp" mellan distansrelaterade arter, vilket visar att någon form av horisontell överföringshändelse ägde rum. Men tidigare analyser visade sig bara några fall där L1-sekvenser gjorde dessa stora hopp, vilket ledde forskare att dra slutsatsen att L1 antagligen endast gick ned vertikalt.

Genom att kasta ett större nätverk visade Ivancevics lag att det har varit mer genomisk hoppning än vad vi en gång trodde."Användningen av djur, växter och svampar har verkligen hjälpt till att skärpa så många genomer som möjligt med nuvarande data. Det finns inte många studier som letar efter överföringar i stor skala, säger hon.

Upptäckten att L1s är närvarande i 559 arter var övertygande bevis för att L1s hade gjorde dessa stora hopp. Teamet pekar på sex tidigare oupptäckta L1 "hoppar" i marina arter för miljontals år sedan som möjligt springbräda för denna skräpgen för att komma in i DNA av arter i helt separata kungariket.

De skriver att en av dessa horisontella händelser skulle kunna ha blivit L1-sekvensen i en forntida förfader till "therian" däggdjur - djur som inte lägger ägg - mellan 160 och 191 miljoner år sedan. Därifrån kunde sekvensen ha gått ned vertikalt till alla efterkommande av dessa gamla djur, inklusive kanske människor. Medan L1 mestadels är fragmenterad och inaktiv hos människor, komponerar den fortfarande 17 procent av vårt genom.

Fynd som dessa illustrerar hur ens de minsta krafterna kan omforma evolutionen. Kanske, för miljontals år sedan, kom en av våra mest avlägsna förfäder till en förvirring med ett havslevande blodsugande skadedjur - kanske det var en havsorm - och på något sätt fick en injektion av slumpmässigt DNA. Nu, miljoner år senare, fortsätter dessa förändringar inom oss, och vi utreder fortfarande vilka roller de spelar.

"Det visar hur mycket slumpmässiga DNA-utbyten kan forma vår utveckling", säger Ivancevic.