A madagaszkári esőerdőben egy levélen ücsörgő aranybékácska fontos titkot rejteget, amelyen osztozik a villásnyelvű békával, a nádibékával és még számos más helyi fajjal. Valamint a békákra vadászó kígyókkal is. Ebben a furcsa szigetországban, amely számtalan olyan fajnak ad otthont, amely sehol máshol nem létezik a Földön, a genetikusok nemrégiben meglepő felfedezést tettek: a békák genomjában megtalálható egy gén, a BovB, amely látszólag a kígyóktól származik.
A világ minden tájáról származó béka- és kígyófajok genomjainak vizsgálata után a szakértők a Molecular Biology and Evolution című folyóiratban megjelent tanulmányukban számoltak be arról, hogy ez a bizonyos gén legalább 50 alkalommal került át a kígyókból a békákba szerte a bolygón. Madagaszkáron ugyanakkor megdöbbentő intenzitású volt ez a génátadás: az ott vizsgált békafajok 91%-a rendelkezik a génnel. Úgy tűnik, hogy valami miatt Madagaszkár kivételesen kedvező hely ezen gén fajváltásához.
Amikor Atsushi Kurabayashi, a Nagahama Intézet kutatója, az új tanulmány vezető szerzője először vette észre a gén kígyókra jellemző változatát a békákban, egyáltalán nem értette, mit lát. Végül egy genomikára szakosodott kollégája adta az ötletet, hogy bizonyára a horizontális génátadás egyik fajtájáról lehet szó. Ennek során, szemben a vertikális génátadással, vagyis az öröklődéssel, amikor generációról generációra adódnak át a gének, a gének egyik faj tagjaiból a másikba kerülnek át.
Kurabayashi felfedezése egy olyan jelenségre terelte kutatását, amelyet korábban rendkívül ritkának hittek, bár az utóbbi években a genomszekvenálási módszerek térhódításával ez a nézet alaposan átértékelődött. Ez az új tanulmány pedig, amely már azt is megmutatja, hogy a gének horizontális átadása bizonyos helyeken nagyobb valószínűséggel történik meg, mint máshol, tovább bonyolítja a történetet.
Azt sugallja, hogy a horizontális génátadás magyarázatát keresve a kutatóknak az egyszerű genetikai mechanizmusokon túlmenően a környezetet is maximálisan figyelembe kell venniük.
A genomkutatók számára még mindig egészen világos, hogy a horizontális génátadás mennyire gyakori vagy ritka az összetett organizmusok körében, de úgy tűnik, hogy egyes helyek, például Madagaszkár, kiemelt régiói lehetnek az ilyen eseményeknek.
Génátadás ide-oda
A horizontális génátadás a baktériumok körében mindennapos: a bolygó szinte minden zugát benépesítő egysejtűek rendkívül könnyedén vesznek fel géneket a környezetükből. Ez az egyik oka annak, hogy a baktériumok antibiotikumokkal szembeni rezisztenciája széles körben elterjedt és folyamatosan evolválódik: a védelmet kínáló gének könnyen továbbadódnak, és a természetes szelekció biztosítja, hogy a rezisztens baktériumok túlszárnyalják rokonaikat, és kedvező génjeiket továbbadják a következő generációnak is. A baktériumok olyan könnyen cserélnek géneket, hogy egyesek azt is felvetették, hogy nem egy elágazó családfát alkotnak, hanem egy számtalan helyen összekapcsolódó hálót.
Az eukarióta szervezetek, például az emberek, békák és kígyók sejtjei azonban másképp működnek.
Az eukarióta sejtmag alapvetően a genom védelmére szolgáló erődítmény: a DNS-t gondosan fel van csavarva és eltárolva ebben a gigantikus könyvtárban, amelyből az enzimek mindig csak azokat a géneket hívják elő, amelyeket éppen használniuk kell. A sejt tele van biztosító mechanizmusokkal, amelyek megakadályozzák a DNS károsodását és javítják az esetleges hibákat.
Ennek ellenére az utóbbi években egyre több példát találtak a szakértők az eukariótákat érintő horizontális génátadásra. A heringek és a bűzöslazacok a sarkvidéki jeges vizek egymással nem rokon lakói, mégis pontosan ugyanazt a gént hordozzák, amely megakadályozza, hogy a vérük megfagyjon. A gén valószínűleg a heringekből jutott át a bűzöslazacokba. Egy francia kutatócsoport pedig egy olyan enzimkészletet tanulmányoz, amelyet a fonálférgek baktériumoktól kaphattak. És egy idei tanulmány alapján úgy tűnik, hogy réges-régen több mint 100 géncsalád ugrott át mikrobákból a növényekbe.
Annak teljesen világosak az okai, hogy az evolúció miért preferálja az ilyen valószínűtlen átvitelek némelyikét. A különleges génnel rendelkező halak nem fagynak meg, a fonálférgek emésztőenzimjei pedig lehetővé teszik számukra, hogy több energiát csikarjanak ki az általuk elfogyasztott növények sejtfalából. A forró forrásokban élő vörös algák a baktériumoktól átvett enzimek egy csoportja miatt képesek túlélni az olyan anyagokkal való érintkezést, amelyek egyébként megölnék őket. Ha egy gén megkönnyíti a túlélést, nem telik el sok idő, mire az azt elsőként megszerző organizmus leszármazottai átveszik a hatalmat a populációban.
Nem minden ilyen vándorló gén jelent azonban előnyt. A BovB egy jól ismert transzpozon, egy olyan genetikai töredék, amely hajlamos véletlenszerűen ugrálni a genomon belül. Bizonyos értelemben a kígyókról a madagaszkári békákra való átkerülése is csak a szokásosnál bizarrabb ugrást jelent – bárhogy is történt.
Ráadásul, bár a transzpozonok fontos hatást gyakorolhatnak a genomra, a BovB nem egy hagyományos értelemben vett gén, amelynek funkciója van, például egy fehérjét kódol. Ez csak egy darab DNS, amely másolatokat készít magáról. Kurabayashi meg is jegyzi, hogy bár nem zárható ki annak a lehetősége, hogy a BovB valamilyen módon a békák javát szolgálja, valószínűbb, hogy a genomrészlet a saját agresszív önduplikációs sikere miatt maradt fenn.
Bármennyire is furcsának tűnik, hogy az eukarióták géneket vesznek át baktériumoktól, még furcsább az a tény, hogy a másik irányú horizontális génátadásra sokkal ritkábban kerül sor az ismert példák alapján.
Úgy tűnik, hogy valamilyen oknál fogva a baktériumoknak nem kellenek a mi génjeink.
Ennek oka lehet, hogy az eukarióta géneknek olyan szerkezeti tulajdonságokkal rendelkeznek, amelyek miatt a baktériumok számára nem előnyösek, de más tényezők is hozzájárulhatnak.
Vírusosodás
A baktériumokkal ellentétben ugyanakkor a vírusok nagy tehetséggel vesznek át géneket eukarióta gazdaszervezeteiktől. A vírusok rendelkeznek a gazdaszervezet sejtjeibe és sejtmagjaiba való bejutáshoz szükséges eszközökkel, és mesterei saját genetikai anyaguk beillesztésének a gazdaszervezet genomjába.
Az emberi genom akár 8%-át is a retrovírusok maradványai teszik ki, amelyek mind régmúlt fertőzések töredékei.
Néha az átvitel a másik irányba is működik. Egy tavaly decemberben megjelent tanulmány szerzői a horizontális génátadás első átfogó elemzését végezték el 201 eukarióta organizmus és 108 842 vírus bevonásával. Több mint 6700 génátadásra találtak bizonyítékot, a gazdatest-vírus irányú átadások körülbelül kétszer olyan gyakoriak volt, mint a vírus-gazdatest irányúak.
Arra a következtetésre jutottak, hogy a horizontális génátadás mindkét oldalon az evolúció fő mozgatórugójának számít: a vírusok gyakran használták a megszerzett eukarióta géneket, hogy hatékonyabbá tegyék gazdaszervezetük megfertőzését, míg az eukarióták néha a vírusgének elemeit használták fel új tulajdonságok realizálására vagy anyagcseréjük új módon való szabályozására.
Az ehhez hasonló megfigyelések számos biológust meggyőztek arról, hogy legalább néhány horizontális génátadást a vírusok segíthetnek elő. Ha a vírusok képesek géneket felvenni gazdaszervezetüktől, és képesek genomjuk darabjait is hátrahagyni, akkor lehetségesnek tűnik, hogy egy korábban megfertőzött gazdaszervezet génjeit átadják egy új gazdaszervezetnek.
A vírusok közreműködése segítene megoldani egy másik rejtélyt is az eukarióták horizontális génátadásával kapcsolatban. Ahhoz, hogy az átadás megtörténhessen, a géneknek egy egész sor akadályon kell átjutniuk. Először is el kell jutniuk a donor fajból az új gazdafajhoz. Ezután be kell jutniuk a sejtmagba, és be kell épülniük a gazdaszervezet genomjába. De nem elég, ha csak egyetlen sejt genomjába jutnak be: az olyan többsejtű élőlényekben, mint a békák és a halak, egy gén csak akkor öröklődik az állat utódaira, ha be tud jutni egy ivarsejtbe – egy spermiumba vagy egy petesejtbe.
A vírusok ezt az egész eseménysorozatot sokkal könnyebbé és valószínűbbé tehetik. A szakértők megállapításai szerint az olyan apró élőlényekben, mint a fonálféreg, a szaporodótraktus és annak ivarsejtjei nincsenek messze a bélcsatornától, ahol a táplálékkal bevitt vírusok megtelepedhetnek. Mivel a békák a nyílt vízbe engedik ki petéiket és spermiumaikat, ezek a sejtek potenciálisan sebezhetőek a környezetben lévő vírusokkal szemben, amelyek így beépítkezhetnek a genomba.
Még a nagyobb élőlények esetében is könnyebb lehet a megvalósulás, mint gondolnánk. Egyelőre még csak egy spekulatív elképzelésről van szó, de a szaporodórendszer tele van mikrobákkal és vírusokkal, és azt is tudjuk, hogy egyes vírusok kifejezetten az ivarsejteket fertőzik meg, mondják a szakértők.
Ökonyomok
Annak ellenőrzésére, hogy mennyire elterjedt a békáknál a kígyók BovB génje, Kurabayashi csapata a világ minden tájáról származó békákból gyűjtöttek mintákat, hogy szekvenálják a DNS-t. Végül úgy találták, hogy 149 fajból 50-ben fordult elő a BovB. Az általuk vizsgált 32 madagaszkári béka az összes vizsgált faj kevesebb mint negyedét tette ki, de közülük 29 hordozta a kígyógént – ami egyértelműen magasabb arány a világ más részein mérthez képest. Érdekes módon a békák legalább két leszármazási vonalába csak azt követően került bele a BovB, hogy őseik Afrikából Madagaszkárra vándoroltak.
A független szakértők szerint a legérdekesebb a tanulmányban az, hogy megmutatja, hogy az átadás mértéke nem kiegyensúlyozott, hanem földrajzi régiónként nagy mértékben különbözik. Valószínűleg ha mások is nekilátnának globálisan vizsgálni a horizontális génátadást egy-egy gén kapcsán, hasonló mintákat azonosítanának. Hogy van-e valami a madagaszkári környezetben, ami a génátadást gyakorivá teszi, azt egyelőre senki sem tudja. Kurabayashi elmondása szerint csoportjával arra gyanakodnak, hogy a madagaszkári kígyó BovB éppen abban különbözik a világ más részein található változatoktól, hogy egy kicsit könnyebben be tudja juttatni magát egy új gazdaszervezetbe.
De a sziget parazitái is hozzájárulhat a folyamathoz. Madagaszkáron nagyon sok a pióca, és a vérszívók sokféle állattal, köztük békák és kígyók vérével is táplálkoznak. Lehetséges, hogy a piócák révén, a vérrel jutott át a kígyógén a békákba, vagy az is, hogy a gén beépült a piócákba, majd onnan került át a békákba.
Az egyes horizontális génátadások pontos forgatókönyvét sajnos nehéz felderíteni. A DNS-szekvenciákat megőrző szelekció nélkül a töredékek hajlamosak mutálódni és összekeveredni, eltörölve az átvitel molekuláris bizonyítékait. Ha pedig egy vírus is részt vesz az átvitelben, eleve nagyon kevés bizonyítékot hagy maga után. A kutatóknak ezért tetten kellene érniük egy genetikai ugrást, hogy megtudják, hogyan történik.
Bhattacharya csapata egy olyan projekt korai szakaszában van, amelynek pontosan ez a célja.
A Yellowstone Nemzeti Parkban található Lemonade Creek forró forrásaiban keresik olyan génátadások nyomait, amelyek éppen most zajlanak, vagy a közelmúltban történtek.
Olyan vörösmoszatok DNS-ét monitorozzák, amelyek vélhetően a forrásokban élő baktériumoktól vettek át géneket. Ha a kutatók igazolni tudják, hogy a közeli forrásokban lévő moszatokból származik az átvett gének egy része, akkor lehet, hogy olyan a genetikai változások kezdetét látják, amelyek jelenleg is terjednek, egyik forrásból a másikba.
