Hybrydyzacja, horyzontalny transfer genów (HGT) i kopalne DNA
Last updated
Last updated
Tradycyjne ,,drzewo życia'' które obrazuje ewolucję wygląda mniej więcej tak:
Wynika z niego, że jeśli dany gatunek w toku ewolucji dzieli się dwa potomne, to ich dalsze losy toczą się już osobno - oddzielne linie nigdy się już nie łączą. Jest to zgodne jedną z popularniejszych definicji gatunku: ,,Gatunek to grupa organizmów zdolnych do rozmnażania się między sobą ale niezdolnych do krzyżowania się z osobnikami z innych takich grup (niemożność spłodzenia potomstwa i/lub niepłodne potomstwo) (Dobzhansky 1935)''. Wynikałoby z niej, że gatunki nie mogą się ze sobą krzyżować. Jednak świat biologii jest bardziej złożony, niż tworzone przez człowieka definicje. O ile definicja sprawdza się nieźle w przypadku np. zwierząt, to w świecie roślin naczyniowych hybrydyzacja międzygatunkowa nie należy do rzadkości. Powstające w jej wyniku organizmy, mogą dać początek nowym gatunkom i w konsekwencji liniom ewolucyjnym. Należy też zauważyć, że powstawaniu krzyżówek często towarzyszy poliploidyzacja (czyli zwiększenie liczby genomów), która pozwala ominąć problem niepłodności mieszańców, a także może dodatkowo zmienić fenotyp rośliny. Badania wskazują, że u mniej więcej 40% rodzin i 16% rodzajów występują mieszańce, a na 100 gatunków niehybrydowych przypada 9 będących owocem krzyżowania między gatunkami. Jeśli na naszym ,,drzewie życia'' uwzględnimy przypadki krzyżowania i wywodzące się z nich linie ewolucyjne, to mogłoby wyglądać tak:
W przyrodzie istnieje wiele barier, które utrudniają bądź uniemożliwiają powstawanie hybryd międzygatunkowych. Dzielimy je na prezygotyczne, które są barierą przed powstawaniem zygot oraz postzygotyczne, czyli takie, które działają, jeśli jednak powstanie zygota z gamet dwu gatunków:
Bariery (działające przed zapłodnieniem):
potencjalni rodzice żyją w różnych środowiskach
potencjalni rodzice są płodni w innym czasie (inny czas kwitnienia)
potencjalni rodzice mają inne zapylacze (np. inne gatunki owadów)
pyłek z innego gatunku nie kiełkuje lub łagiewka pyłkowa rośnie wolniej niż z pyłku tego samego gatunku
gamety z różnych gatunków nie łączą się ze sobą
Bariery postzygotyczne (po utworzeniu zygoty):
zygota powstaje ale nie przeżywa
krzyżówki mają obniżoną żywotność
krzyżówki mają obniżoną płodność lub są bezpłodne
Jak widać powstanie krzyżówki międzygatunkowej nie jest procesem który przebiega łatwo, mimo to zdarza się, że bariery zostają przełamane i powstaje hybryda , która nie dość, że jest w stanie przetrwać i rozmnażać się, to w dłuższej perspektywie może odnieść sukces ewolucyjny i dać początek wielu kolejnym gatunkom. Hybrydy posiadają nowe kombinacje cech rodziców a także czasem nowych, lub w natężeniu nieznanym u gatunków rodzicielskich. Mogą być od nich bardziej żywotne, co z kolei może doprowadzić do tego, że będą sobie lepiej radzić w środowisku i w konsekwencji zająć ich nisze ekologiczną. Z drugiej strony może się też okazać, że unikalne cechy pozwolą na zajęcie nowych, wcześniej niedostępnych nisz.
Ponieważ hybrydyzacja jest związana z łączeniem się materiału genetycznego różnych organizmów, ma dość istotny wpływ na wyniki badań filogenetycznych opartych o badania DNA, zwłaszcza jeśli badania przeprowadza się na taksonach niskiej rangi. Należy bowiem pamiętać, że skuteczne krzyżowanie się, jest możliwe generalnie między stosunkowo blisko spokrewnionymi gatunkami. Świeżo powstałe hybrydy zawierają materiał genetyczny obu rodziców. Z czasem jednak to się zmienia. Część materiału genetycznego może ulec utracie, lub innym zmianom. W efekcie niektóre geny mogą pochodzić wyłącznie od jednego a inne od drugiego rodzica. Skutki są dość oczywiste. Drzewa filogenetyczne w takich przypadkach mogą wskazywać na bliskie pokrewieństwo (lub identyczność) z jednym lub drugim gatunkiem rodzicielskim, w zależności od tego, które sekwencje wybierzemy do badań. Sytuację dodatkowo komplikuje fakt, że w wyniku procesu crossing-over mogą powstawać ,,mozaikowe'' sekwencje zawierające odcinki od jednego i drugiego rodzica. Należy także uwzględnić jeszcze jeden problem: genomy mitochondrialne i plastydowe dziedziczą się zwykle po jednym z rodziców. Zatem analiza oparta np. o geny plastydowe może dać inne wyniki niż gdy użyjemy genów jądrowych. Taka niezgodność może wskazywać właśnie na to, że w przeszłości ewolucyjnej danej linii doszło do hybrydyzacji.
Po powstaniu krzyżówki, może się okazać, że nie jest ona zdolna do krzyżowania się z gatunkami rodzicielskimi. Jest tak zwłaszcza, gdy nastąpi poliploidyzacja. Wtedy od razu formuje osobny gatunek. Obserwuje się jedna także inne sytuacje: powstające hybrydy mogą się krzyżować nie tylko między sobą, ale także tworzyć krzyżówki wsteczne z gatunkami rodzicielskimi. W efekcie możemy mieć do czynienia z rojem mieszańców w którym znajdują się osobniki o różnych typach pośrednich. Nie trzeba dodawać, że prowadzi to do sytuacji, które są bardzo trudne do rozwikłania za pomocą badań filogenetycznych. Graficzne przedstawienie takich zależności przypomina raczej siateczkę niż klasyczne ,,drzewo''. Inną możliwością jest powtarzające się krzyżowanie hybrydy i jej potomków z jednym z gatunków rodzicielskich. Skutkuje to stopniowym upodabnianiem się do niego, także pod względem genetycznym. Mogą jednak zostać zachowane niektóre sekwencje drugiego z gatunków, które dały początek mieszańcowi. Takie zjawisko nazywamy introgresją.
Horyzontalny transfer genów (ang. Horizontal Gene Transfer - HGT), zwany także poziomym transferem genów (ang. Lateral Gene Transfer - LGT), to proces przenoszenia materiału genetycznego pomiędzy organizmami w inny sposób niż rodzic-potomek (pionowy transfer genów, ang vertical gene transfer - VGT).
Zjawisko po raz pierwszy odkryto w 1951 r. u maczugowca błonicy (Corynebacterium diphtheriae). Zauważono, że odpowiedzialny za patogenność gen pochodzenia wirusowego tox może przenosić się od bakterii patogennych do niepatogennych. W 1959 wykazano, że tą droga mogą się przenosić bakteryjne geny odpowiedzialne za odporność na antybiotyki Kolejne badania wskazały na dużą rolę HGT w wymianie materiału genetycznego u prokariontów. Kluczową rolę odgrywają w tej grupie organizmów takie procesy jak koniugacja, transdukcja i transformacja. Wykazano także, znaczny wpływ HGT na ewolucję eukariontów. Przede wszystkim zwraca się uwagę na rolę tego procesów u protistów. Obserwuje się je jednak u pozostałych grup Eucaryota i kolejne badania wskazują na istotną rolę w ewolucji tej grupy organizmów.
W przeciwieństwie do przenoszenia genów drogą krzyżowania międzygatunkowego, które ograniczone są do blisko spokrewnionych organizmów, wydaje się, że nie ma wyraźnych granic taksonomicznych dla HGT. Znane są transfery pomiędzy różnymi gatunkami bakteriami czy roślin, ale także pomiędzy bakteriami i grzybami, bakteriami i roślinami, bakteriami i zwierzętami, grzybami i zwierzętami czy grzybami i roślinami. Wydaje się zatem, że nie istnieją żadne bariery genetyczne ,,zakazujące'' przenoszenia się materiału genetycznego pomiędzy nawet odległymi ewolucyjnie organizmami. Dalsze rozważania będą dotyczyć przede wszystkim roślin
Mechanizmy odpowiedzialne za HGT nie są dostatecznie wyjaśnione. Zwykle wskazuje się na:
Przenoszenie kwasów nukleinowych przez pośredników takich jak wirusy, bakterie, grzyby
Transpozony
Bezpośrednie pobieranie kwasów nukleinowych (zwłaszcza w układach pasożyt-żywiciel)
Teoretycznie materiał genetyczny może przenosić się za pomocą fragmentów DNA lub poprzez mRNA, które następnie dzięki odwrotnej transkypcji mógłby z powrotem zostać przekształcony w DNA Badania wskazują raczej na tą pierwszą możliwość.
Uważa się, że procesowi HGT sprzyja długotrwały fizyczny kontakt pomiędzy organizmami Taka sytuacja może dotyczyć np:
Endosymbiontów
Układów pasożyt-żywiciel
Szczepień
Wchłaniania jednych organizmów przez inne (pierwotniaki)
Jeśli przeniesione sekwencje DNA mają być przekazane następnym pokoleniom, muszą przedostać się do linii generatywnej (o ile organizm nie rozmnaża się bezpłciowo) toteż skutecznemu HGT sprzyja fizyczna komórek rozrodczych i symbiontów lub ich kontakt ze środowiskiem zewnętrznym
Mitochondria wydają się być szczególnie predysponowane do horyzontalnego transferu genów:
Posiadają mechanizmy pobierania DNA i RNA z otoczenia.
Często ulegają fuzji.
Roślinne mitochondria mają system rekombinacji homologicznej.
Ich genomy mają strukturę dynamiczną i ulegają rearanżacjom
Genomy mitochondriów roślinnych zawierają kilkadziesiąt genów
Pomiędzy genami znajdują się niekodujące odcinki w które może się wbudowywać obce DNA.
U okrytonasiennych obce mtDNA zwykle pochodzi od mitochondriów innych okrytonasiennych ale znajduje się także geny mchów czy glonów.
W jądrach komórek roślin okrytonasiennych znaleziono także wiele śladów HGT Dotyczą one genów jądrowych a także transpozonów Ciekawym przypadkiem jest pasożytnicza roślina Rafflesia cattlei, u której znaleziono ponad 30 genów przeniesionych od żywiciela. Przynajmniej niektóre są funkcjonalne. Plastydy uważane są za bardzo odporne na takie procesy jak HGT czy IGT (zob. dalej). Obce sekwencje plastydowe, znajduje się raczej w innych genomach komórki - mitochondrialnym lub jądrowym
Fragmenty DNA mogą przenosić się z jądra komórkowego jednego organizmu do jądra komórkowego innego organizmu. Proces ten może także przebiegać pomiędzy wszystkimi elementami komórki zawierającymi materiał genetyczny: jądrem, mitochondriami i plastydami. Przenoszenie fragmentów DNA pomiędzy genomami wewnątrz komórki nazywamy międzygenomowym transferem genów (ang. Intergenomic Gene Transfer - IGT) Trzeba pamiętać, że genomy mitochondriów i plastydów maja charakter prokariotyczny a jądra (niejako z definicji) eukariotyczny. Mitochondria większości zbadanych roślin nasiennych zawierają sekwencje jądrowe i plastydowe. Geny mitochondrialne znajduje się także w plastydach, ale rzadko. Różnica wynika prawdopodobnie z tego, że mitochondria, w przeciwieństwie do plastydów, mają efektywne mechanizmy pobierania obcego DNA. W jądrach znaleziono wiele genów pochodzenia mitochondrialnego. W takich przypadkach następuje konwersja genów prokariotycznych w eukariotyczne co wiąże się m.in. z tym, że podlegają rekombinacji przy rozmnażaniu płciowym. Przypuszczalnie w tego typu IGT bierze udział RNA jako pośrednik.
Dotychczasowe badania wskazują na dużą rolę HGT w ewolucji eukariontów Ślady tego procesu znajduje się we wszystkich dużych grupach organizmów Odegrał także ważną rolę w ewolucji roślin Przykładowo, procesowi przekształcania się wewnątrzkomórkowego prokariotycznego endosymbiontu w chloroplast towarzyszył transfer kilkudziesięciu genów z chlamydii - które w tym czasie także prawdopodobnie były endosymbiontami komórek eukariotycznych. Uważa się, że geny pobrane od różnych organizmów miały istotną rolę w nabywaniu wielu ważnych cech umożliwiających m.in. adaptacje roślin do nowych i ekstremalnych warunków, efektywne reakcje na stres, wydajniejszą naprawę DNA, degradację celulozy czy rozwój tkanek przewodzących.
Rośliny pasożytnicze są dobrym kandydatem na organizmy pobierające obce DNA, ponieważ bezpośrednio są połączone z żywicielem i pobierają od niego składniki odżywcze. Połączenie odbywa się przez haustorium - strukturę która wnika w tkanki korzenia lub pędu gospodarza i pobiera wodę, sole mineralne i inne składniki odżywcze. Wyróżnia się dwie podstawowe kategorie pasożytów:
hemipasożyty (półpasożyty) - zdolne do prowadzenia własnej fotosyntezy, pobierające od żywiciela głównie wodę i sole mineralne (np. jemioła (Viscum), szelężnik (Rhinanthus))
holopasożyty - niezdolne do fotosyntezy, pobierają od żywiciela także cukry i inne składniki odżywcze (np. zaraza (Orobanche), kanianka (Cuscuta))
Bardziej oczywistymi kandydatami na HGT wydają się być oczywiście holopasożyty
Rzeczywiście, badania wskazują, na stosunkowo liczne przypadki HGT w relacjach pasożyt-żywiciel Są więc dobrym modelem do badania tego procesu. Przy czym znajduje się nie tylko sekwencje przeniesione od żywiciela do pasożyta ale także od pasożyta do żywiciela. Nie jest zaskoczeniem, że głównie dotyczą one sekwencji mitochondrialnych, ale także znajduje się geny jądrowe i plastydowe Szacuje się, że u Raflesiaceae nawet ok 40% genów mitochondrialnych wykazuje ślady HGT
HGT wykrywa się głównie drogą znajdywania niezgodności na drzewach filogenetycznych. Porównuje się drzewo, które przedstawia ,,prawidłowe'' relacje filogenetyczne z drzewem sporządzonym dla badanej sekwencji. Jeśli występują niezgodności, mogą one świadczyć o transferze genów. Położenie badanej sekwencji na drzewie filogenetycznym może wskazywać na źródło obcej sekwencji, Na przykład sekwencja pobrana od pasożyta może wykazywać bliskie podobieństwo do sekwencji żywiciela Wtedy można przypuszczać, że została pobrana od żywiciela i została wbudowana w genom pasożyta.
Jeśli uwzględnimy zjawisko HGT na ,,drzewie życia'' od którego zaczęliśmy, to moglibyśmy uzyskać taki obraz:
Rekonstrukcja filogenezy przez długi czas opierała się na badaniach skamieniałości wymarłych organizmów oraz na porównywaniu morfologii i anatomii żyjących gatunków. Z czasem coraz większe znaczenie miały badania molekularne, bazujące na porównywaniu DNA i białek żyjących organizmów. Dalszy rozwój metod biologii molekularnej pozwolił jednak na izolację i analizy kopalnego DNA (ang. ancient DNA - aDNA) , pochodzącego także od dawno wymarłych organizmów. Do badań tego typu, które odbiły się największym echem, należą te, które dotyczą ewolucji człowieka, zwłaszcza DNA neandertalczyków czy denisowian. Dzięki nim wiemy na przykład, że w przeszłości dochodziło do krzyżowań między Homo sapiens, H. neanderthalis, denisowianami i jeszcze innymi przedstawicielami rodzaju Homo. W Polsce dość głośne badania dotyczą kopalnego DNA tura. Bierze się przy tym pod uwagę możliwość odtworzenia wymarłego ok. 400 lat temu zwierzęcia.
Kopalne DNA pozyskuje się często z zębów i kości, zatem z relatywnie odpornych na upływ czasu szczątków organizmów zwierzęcych, ale badania tego typu prowadzi się także na materiale roślinnym. aDNA w lepszym lub gorszym stanie udaje się uzyskać z różnych fragmentów roślin, także niewidocznych gołym okiem uzyskiwanych z osadów w jeziorach, jaskiniach, starożytnych amfor czy ze szczątków ludzkich (np. z kamienia nazębnego czy treści przewodu pokarmowego) Cennym źródłem aDNA są nasiona - zwłaszcza gdy są wysuszone, zamrożone, czy przebywają w warunkach beztlenowych. Ponieważ, zwłaszcza od czasu powstania cywilizacji agrarnej, nasiona roślin uprawnych towarzyszyły człowiekowi i często były celowo (aby przechowywać żywność i ziarno na siew, a nie do badań genetycznych) magazynowane w odpowiednich warunkach, dzisiaj stanowią cenny materiał do badań nad ich historią i ewolucją. Nie należy także zapominać o herbariach, chociaż z oczywistych względów taki materiał nie sięga zbyt daleko w przeszłość.
Badania nad aDNA wiążą się oczywiście z wieloma problemami, z którymi nie mamy do czynienia, lub mamy w mniejszym stopniu, badając świeży materiał. Trzeba pamiętać, że zaraz po śmierci rozpoczyna się degradacja DNA i rozpoczynają się inne procesy utrudniające dalszą analizę, np:
DNA rozpada się na fragmenty, także zbyt krótkie do dalszej analizy
powstają wiązania krzyżowe
modyfikacji ulegają zasady azotowe
w tkankach rozwijają się grzyby i bakterie, które przyspieszają rozkład, ale także zanieczyszczają próbki własnym DNA
Do zanieczyszczenia obcym DNA może także dojść podczas pozyskiwania materiału i dalszych etapów badań. Dostępny materiał może być ograniczony do jednej, niewielkiej próbki, która ulega zniszczeniu podczas badania, zatem powtórzenie badań może być niemożliwe, o ile nie uzyska się następnych próbek.
U roślin częstym obiektem badań jest rybosomalny DNA (rDNA), a także plastydowy DNA - występuje w większej liczbie kopii niż jądrowy DNA, wolniej degraduje, jest też bardziej konserwatywny, co ułatwia np. projektowanie starterów. O ile DNA mitochondrialny (mtDNA) jest dość popularnym obiektem badań materiału zwierzęcego, to u roślin analizuje się go stosunkowo rzadziej. Bada się także jądrowe DNA (nuDNA), choć jest to trudniejsze m.in. ze względu na szybszą degradację i mniejszą liczbę kopii w próbce. Dawniej badania aDNA opierały się głównie o technologię PCR, obecnie coraz większą rolę odgrywają metody NGS (ang. next-generation sequencing), które pozwalają na sekwencjonowanie i składanie całych genomów.
