Генные воры: «чужая ДНК» позволяет обмануть эволюцию за счет кражи генов

Какая платье жизни в нашем мире самая устойчивая и крепкая? Тараканы славятся своей живучестью — многие (человеческое убеждены, что те смогли бы выпить до дна горькую чашу даже ядерный апокалипсис. Тихоходки, или — или водяные медведи, еще более выносливы. Они могут уцелеть даже в космосе. В кипящих кислых источниках Йеллоустонского национального парка живет одна хара. Вокруг нее едкая вода, приправленная мышьяком и тяжелыми металлами. С целью остаться в живых в этом смертельном месте, симпатия использовала неожиданный трюк.

Каков ее закрытое дело? Воровство. Она крадет гены, необходимые исполнение) выживания, у других форм жизни. И каста тактика куда более распространена, нежели можно было бы подумать.

Большая) часть живых существ, которые живут в экстремальных местах, представляют лицом одноклеточные организмы — бактерии или археи. Сии простые и древние формы жизни неважный (=маловажный) обладают сложной биологией животных, а их простота является преимуществом: они несравненно лучше справляются с экстремальными условиями.

Миллиарды парение они скрывались в самых негостеприимных местах — на глубину под землей, на дне океана, в вечной мерзлоте неужели в кипящих горячих источниках. Они прошли затянувшийся путь, развивая свои гены в ход миллионов или миллиардов лет, и в (настоящее они помогают им справиться по существу с чем угодно.

Но что, кабы другие, более сложные существа могли бы беспритязательно прийти и украсть эти гены? Они бы совершили дарвинистский подвиг. Одним махом они заполучили бы генетику, позволяющую выкуривать в экстремальных местах. Они попали бы тама, минуя миллионы лет утомительной и тяжелой эволюции, которая большей частью необходима для развития этих способностей.

Приближенно и поступила красная водоросль Galdieria sulphuraria. Ее есть найти в горячих серных источниках Италии, России, Йеллоустонского парка в США и Исландии.

Температуры в сих горячих источниках поднимаются до 56 градусов в соответствии с Цельсию. Хотя некоторые бактерии могут обретаться в бассейнах при температуре около 100 градусов, а некоторые люди из них могут справиться с температурой эдак 110 градусов, вблизи с глубоководными источниками, зверски примечательно, что эукариоты — группа сильнее сложных форм жизни, включающая животных и растения (красная келп — это растение) — могут жить около температуре в 56 градусов.

Большинство растений и животных безграмотный смогли бы стерпеть такие температуры, и тому очищать причина. Тепло приводит к разрушению химических связей в середке белков, что приводит к их коллапсу. Сие оказывает катастрофическое воздействие на ферменты, которые катализируют химические реакции организма. Мембраны, обволакивающие клетку, начинают производиться. По достижении определенной температуры, пневмомембрана рушится и клетка распадается.

Тем невыгодный менее еще более впечатляющей является талант водорослей переносить кислотную среду. Иные горячие источники имеют значения pH в диапазоне ото 0 до 1. Кислым вещество делают ни крошечки заряженные ионы водорода, известные в свой черед как протоны. Эти заряженные протоны мешают белкам и ферментам в недрах клеток, портят химические реакции, реалистично необходимые для жизни.

Это происходит ибо, что белки удерживаются вместе взаимным притяжением положительных и неважнецки заряженных аминокислот. Когда вы привносите другой груз положительно заряженных частиц, ваша милость нарушаете тонкий баланс, удерживающий протеин в целом. Белок больше не может оставлять свою форму и выполнять свою работу верно.

«Большинство других форм жизни приставки не- может противостоять экстремальному теплу иначе говоря кислотности», говорит Геральд Шойнкнехт, биолог до растениям из Университета Оклахомы в Стилуотере. «Galdieria живет быть pH 0, что эквивалентно выживанию в разбавленной аккумуляторной кислоте. Большая) часть других организмов, даже бактерий, никак не могут совладать с такими низкими значениями pH».

Тем без- менее Galdieria может перетерпеть мало-: неграмотный только тепло и кислотность. Эта сцеплянка устойчива к мышьяку, ртути и может стоять в очень соленых средах. Эти ядовитые простейшие положения, как правило, смертельны для жизни, затем что ингибируют важные ферменты, участвующие в дыхании. Сверх меры много соли, с другой стороны, неважный (=маловажный) дает клеткам растений принимать воду, иссушает их и превращает в сморщенную шелуху.

Так чтобы узнать, как Galdieria выдерживает такие экстремальные клаузула, Шойнкнехт и его коллеги-ученые изо Оклахомы и Университета Генриха Гейне в Германии декодировали гены морское сено. И нашли нечто удивительное: вместо того, пусть унаследовать свои суперспособности от своих предков, огород нептуна… украли их у бактерий.

Это оказательство передачи генов известно как «горизонтальный анжамбеман генов». Обычно гены формы жизни наследуются ото родителей. У людей точно так: ваша сестра можете проследить свои характеристики повдоль ветвей вашего генеалогического древа перед самых первых людей.

Тем мало-: неграмотный менее оказывается, что и сейчас, и в те поры «чужие» гены совершенно других видов дозволено включать себе в ДНК. Этот действие часто встречается у бактерий. Некоторые утверждают, зачем это происходит даже у людей, ежели и и оспаривается.

Когда чужая ДНК обзаводится новым хозяином, ей отнюдь не обязательно сидеть сложа руки. Где бы этого она может начать работу по-над биологией хозяина, поощряя ее зиждить новые белки. Это может отдать хозяину новые навыки и позволит ему остаться в живых в новых ситуациях. Организм носителя может выйти совершенно по новому эволюционному пути.

В общей сложности Шойнкнехт идентифицировал 75 украденных генов у мореплавательный водоросли, которые она позаимствовала у бактерий тож архей. Не все гены дают морское сено очевидное эволюционное преимущество, и точная назначение многих генов неизвестна. Но многие с них помогают Galdieria выживать в экстремальной среде.

Ее даровитость справляться с токсичными химическими веществами, такими чисто ртуть и мышьяк, исходит из генов, позаимствованных у бактерий.

Водан из таких генов отвечает вслед за «мышьяковый насос», позволяющий водоросли сверхэффективно удалять мышьяк из клеток. Часть украденные гены, в числе прочего, позволяют луг нептуна выделять токсичные металлы, при этом извлекая важные металлы с окружающей среды. Еще одни украденные гены контролируют ферменты, позволяющие морское сено обезвреживать металлы вроде ртути.

Водоросли тоже сперли гены, позволяющие им учить (что) высокую концентрацию соли. При нормальных обстоятельствах пересоленная микросреда высосет воду из клетки и убьет ее. Да синтезируя соединения внутри клетки, для того чтобы уравнять «осмотическое давление», Galdieria избегает этой участи.

Якобы, что способность Galdieria переносить беспримерно кислые горячие источники обусловлена ее непроницаемостью к протонам. Другими словами, симпатия может просто не дать кислоте попасть в ее клетки. В целях этого она просто включает менее генов, кодирующих каналы в клеточной мембране, после которые обычно проходят протоны. Сии каналы обычно позволяют проходить вовсе заряженным частицам вроде калия, что нужен клеткам, но также пропускают и протоны.

«Похоже, подобно как адаптация к низкому уровню pH проводилась по (по грибы) счет удаления любого мембранного транспортного белочка из плазматической мембраны, который позволил бы протонам входить в клетку», говорит Шойнкнехт. «Большинство эукариот имеют воз калиевых каналов в плазматических мембранах, а у Galdieria есть только один аллель, кодирующий калиевый канал. Более узкий голубая артерия позволяет справляться с высокой кислотностью».

Тем без- менее эти калиевые каналы выполняют важную работу, поглощают поташ или поддерживают разность потенциалов средь клеткой и ее окружением. Как хамесифоновый остается здоровой без калиевых каналов, до этого (времени непонятно.

Также никто не знает, точь в точь водоросль справляется с высоким теплом. Ученые мало-: неграмотный смогли идентифицировать гены, которые могли бы открыть глаза эту конкретную особенность ее биологии.

Бактерии и археи, которые могут водиться при очень высоких температурах, имеют протеин и мембраны совершенно иного вида, хотя водоросль прошла через более тонкие изменения, говорит Шойнкнехт. Некто подозревает, что она меняет обмен веществ липидов мембран при различном росте температур, да пока не знает, как просто это происходит и как позволяет адаптироваться к теплу.

Разумеется, что копирование генов дает Galdieria огромное эволюционное достоинство. В то время как большая рацион одноклеточных красных водорослей, родственных G. sulphuraria живет в вулканических районах и кардинально справляются с умеренным теплом и кислотами, редко кто из ее родственников могут дотерпеть столько тепла, кислоты и токсичности, сколечко G. sulphuraria. На самом деле, в некоторых местах нате этот вид приходится до 80-90% жизни — это говорит о фолиант, насколько сложно кому-то до сего времени назвать дом G. sulphuraria своим.

Остается пока один очевидный и интересный вопрос: в качестве кого водоросль смогла украсть так бессчетно генов?

Эта водоросль живет в среде, которая заключает много бактерий и архей, поэтому в каком-ведь смысле возможность красть гены у нее наворачивать. Но ученые не знают действительно, как ДНК перескочила от бактерий к в такой степени иному организму. Чтобы успешно попасть к хозяину, ДНК прежде (всего) должна попасть в клетку, а затем в база — и только потом включить себя в геном хозяина.

«Лучшие догадки в сегодня(шний день) время — что вирусы могли сообщить генетический материал от бактерий и эон водорослям. Но это чистое предположение», говорит Шойнкнехт. «Может взяться, попасть в клетку — самый трудный деяние. Оказавшись внутри клетки, попасть в основа и интегрироваться в геном может быть безграмотный так сложно.

Горизонтальный перенос генов убыстренно происходит у бактерий. Именно поэтому у нас возникают проблемы с устойчивостью к антибиотикам. В качестве кого только появляется устойчивый ген, некто быстро распространяется среди бактерий. Как ни считалось, что обмен генами реже происходит у побольше развитых организмов, чем у эукариотов. Считалось, чисто у бактерий есть специальные системы, позволяющие им полагать нуклеиновые кислоты, таких у эукариот в закромах.

Тем не менее другие упражнения продвинутых существ, крадущих гены, пусть выжить в экстремальных условиях, уже находили. Толк снежных водорослей Chloromonas brevispina, живущая в снегах и льдах Антарктиды, слабит гены, которые, вероятно, были взяты у бактерий, мегацикл или даже грибов.

Острые кристаллы льда могут протыкать и перфорировать клеточные мембраны, поэтому существа, живущие в холодном климате, должны распознать способ борьбы с этим. Один изо способов — производить связывающие лед белки (IBP), которые секретируются в клетке, цепляющейся ради лед, останавливая рост кристаллов льда.

Джеймс Реймонд изо Университета Невады в Лас-Вегасе составил карту генома снежной зеленая смерть и обнаружил, что гены связывающих ледочек белков были на удивление схожи у бактерий, мегацикл и грибов, что говорит о том, что-нибудь они все обменялись способностью прогонять в холодных условиях в процессе горизонтального переноса генов.

«Эти гены необходимы во (избежание выживания, поскольку были найдены в каждой приспособленной в целях жизни в холоде водоросли и ни в одной живущей в теплых условиях», говорит Реймонд.

Уминать несколько других примеров горизонтального переноса генов у эукариот. Крошечные ракообразные, живущие в морских антарктических льдах, эвентуально, тоже приобрели этот навык. Сии рачки Stephos longipes могут стоять в жидких соленых каналах во льду.

«Полевые измерения показали, как будто C. longipes живут в переохлажденных рассолах получай поверхностном слое льда», говорит Райнер Кико, научник из Института полярной экологии около Университета Киль в Германии. «Переохлажденные означает так, что температура этой жидкости далее точки замерзания и зависит от солености».

С намерением выжить и не дать себе задубеть, в крови S. longipes и других жидкостях его организма присутствуют молекулы, понижающие температуру замерзания, воеже соответствовать воде вокруг. При этом ракообразные производят белки-незамерзайки, которые безлюдный (=малолюдный) позволяют формироваться кристаллам льда в месячные.

Предполагается, что этот белок равно как был получен вследствие горизонтального переноса генов.

У красивой бабочки-монарха равно как могут быть украденные гены, а на этот раз от паразитической осы.

Оса-блестянка с семейства браконид известна тем, ась? внедряет яйцо вместе с вирусом в насекомое-хозяина. ДНК вируса взламывает ядро хозяина, превращая его в зомби, какой-нибудь затем действует как инкубатор для того яйца осы. Ученые обнаружили гены драконид в бабочках, хотя (бы) если эти бабочки никогда неважный (=маловажный) встречались с осами. Как полагают, они делают бабочек сильнее устойчивыми к болезням.

Эукариоты воруют безграмотный только отдельные гены. Иногда кражи проходят с размахом.

Сильно-зеленый морской обитатель Elysia chlorotica, во вкусе полагают, приобрел способность фотосинтеза в процессе поедания водорослей. Сей морской слизень глотает хлоропласты — органеллы, которые выполняют фотосинтез — целиком и хранит в пищеварительных железах. Временами прижмет, а водорослей в пищу нет, мореплавательный слизень может выжить, используя энергию солнечного света, чтоб преобразовать углекислый газ и воду в пищу.

Одно освидетельствование показывает, что морские слизни опять же берут гены у водорослей. Ученые вставляют флуоресцентные маркеры ДНК в геном водорослей, с тем чтобы увидеть, где именно были гены. Дальше кормления водорослями, морской слизень приобрел аллель, отвечающий за восстановление хлоропластов.

В так же время, клетки в нашем организме содержат крошечные вырабатывающие энергию структуры, митохондрии, которые отличаются через остальных наших клеточных структур. У митохондрий хоть есть собственная ДНК.

Есть система, что митохондрии существовали как самостоятельные комплекция жизни миллиарды лет назад, а затем каким-то образом стали аннексироваться в клетки первых эукариот — возможно, митохондрии были проглочены, только не переварились. Это событие, равно как полагают, произошло около 1,5 миллиарда полет назад и стало ключевой вехой в эволюции всех высших форм жизни, растений и животных.

Виртуально, воровство генов является довольно распространенной тактикой эволюции. В конце концов, возлюбленная позволяет другим делать всю тяжелую работу вслед вас, пока вы пожинаете дары помоны. В качестве альтернативы, горизонтальный перенос генов может приближать срок уже начавшийся эволюционный процесс.

«Организм, какой-либо не адаптировался к теплу или кислоте, не факт ли внезапно заселит вулканические бассейны нехитро, потому что получил нужные гены, — говорит Шойнкнехт. — Однако эволюция это почти всегда пошаговый метаморфизм, и горизонтальный перенос генов позволяет чинить большие скачки вперед».

Источник