Powódź pożyczonych genów u powstania maleńkich ekstremistów

Dużo trudniej jest czynić takie obserwacje, kiedy masz do czynienia z mikrobami. W tej skali organizmy odróżniają się nie cechami fizycznymi, ale genetycznymi i biochemicznymi. Grupy różnią się bardziej tym, co robią, niż tym, jak wyglądają. Trzeba badać ich geny, żeby odkryć ich pochodzenie lub choćby wiedzieć, jakie pytania związane z ich  pochodzeniem stawiać.

Shijulal Nelson-Sathi zrobił to właśnie dla  archeonów, grupy jednokomórkowych mikrobów, które doskonale rosną w skrajnie niegościnnych miejscach. Kominy wulkaniczne i słone jeziora – to są miejsca, w których archeony czują się doskonale, chociaż niektóre żyją także w łagodniejszych środowiskach, takich jak nasze jelita.  

Powierzchownie archeony wyglądają jak bakterie i przez bardzo długi czas naukowcy sądzili, że tym właśnie są. Zmieniło się to w 1997 r., kiedy naukowiec-rewolucjonista Carl Woese pokazał, że archeony i bakterie są genetycznie odległe od siebie. Woese narysował drzewo życia z trzema wielkimi pniami lub „domenami”. Bakterie siedziały na jednym. Eukarionty – grupa, która obejmuje zwierzęta, rośliny, grzyby i algi – zajmowały drugi. A archeony były trzecim. Woese wyniósł tych mało znanych ekstremistów na najwyższe szczeble życia. I miał rację. Jak już o tym pisałem, okazało się, że archeony i bakterie tak różnią się biochemią, jak PC i Mac różnią się swoimi systemami operacyjnymi.

Archeony są nadal tajemnicze. Na przykład, nikt nie wie, ile jest ich gatunków. Naukowcy jednak zsekwencjonowali kompletne genomy przynajmniej 134 z nich i w oparciu o różnice ich genów zaklasyfikowali je do 13 głównych grup. Powstaje więc klasyczne pytanie o pochodzenie: jak powstały te grupy i dlaczego?

Szukając odpowiedzi Nelson Sathi skonstruował program, który pogrupował wszystkie geny w każdym znanym genomie archeonów w około 26 tysięcy rodzin. Przynajmniej dwie trzecie z tych rodzin były wynalazkiem archeonów i nie mają żadnego odpowiednika wśród innych żywych stworzeń. Zaś 85 procent z nich znajduje się tylko w jednej z 13 głównych grup – co jest wskazówką, jak odległe od siebie są te linie rodowe.

A potem zespół znalazł coś naprawdę dziwacznego.

U Halobakterii, grupy archeonów, które żyją w nadzwyczaj słonej wodzie, zespół znalazł tysiąc rodzin genów, które pierwotnie pochodzą z bakterii. Jakiś czas temu przodek Halobakterii pożyczył olbrzymią liczbę genów i ta pożyczka zdarzyła się przy powstaniu tej grupy.

Zespół przyjrzał się następnie pozostałym 12 liniom i znalazł dokładnie ten sam wzór. Powstanie każdej dużej grupy archeonów było zaznaczone nabyciem genów bakteryjnych – czasami dziesiątków, czasami tysięcy. Pożyczały, a potem rozgałęziały się. „Wynika z tego, że taki transfer odgrywał ważną rolę w założeniu samej grupy” – mówi John Archibald z Dalhousie University.

“To była dla nas niespodzianka” - mówi Bill Martin z Uniwersytetu Heinrich-Heine w Dusseldorfie, który kierował badaniami. “Można zapytać, dlaczego nikt wcześniej tego nie widział”. Prawdopodobnie dlatego, że większość naukowców skupia się na zasadniczych genach (ang. core genes), które są wspólne u wszystkich archeonów. Stanowią one jednak tylko 1 procent genomu. Mogą powiedzieć nam o kształcie drzewa rodowego archeonów, ale nie mówią niczego o cechach, które definiują gałęzie. Do tego trzeba spojrzeć na cały genom, a to właśnie zrobił Nelson Sathi.

“Horyzontalny transfer genów”, jaki znalazł, jest obcy dla ludzi, którzy mogą jedynie przekazywać geny od rodziców do dziecka. Bakterie i archeony nie cierpią jednak z powodu jarzma dziedziczenia pionowego. Z wielką łatwością mogą sobie wzajem przekazywać geny. Te transfery mogą iść w obu kierunkach, ale w rzeczywistości są na ogół jednostronne. Nelson-Sathi odkrył, że bakterie darowały geny rodzinom areonów pięć razy częściej niż odwrotnie i żaden transfer od archeonów do bakterii nie odpowiada powstaniu głównej grupy bakteryjnej. Bakterie wielokrotnie wpychały swoich kolegów, archeony, na nowe drogi ewolucyjne, ale nie odwrotnie.

Dlaczego? Oto wskazówka: większość rodzin genów, które przeniosły się z bakterii do archeonów, bierze udział w metabolizmie. To jest, pomagają właścicielom wykorzystywać nowe źródła energii. Druga wskazówka: większość odbiorców to metanogeny – archeony, które potrafią żyć wyłącznie na dwutlenku węgla i wodorze. Ta sztuczka pozwala metanogenom na przeżycie w kominach hydrotermalnych, wnętrznościach krów, lodzie grenlandzkim i w spieczonej ziemi na pustyni. Jest to jednak tak prosty i wyspecjalizowany tryb życia, jak tylko  jest to możliwe.

Metanogeny są specjalistami, którzy skolonizowali wiele trudnych, ale wąskich nisz i tam już utknęli. Są jak mikrobowa wersja pandy. „Są na samym dnie. Jedyna droga wiedzie do góry – mówi Martin. – A jedynym sposobem, jaki mają na osiągnięcie nowych nisz, jest pozwolenie na dokonanie pracy wynalazczej przez bakterie”. Pożyczając geny od bakterii, ci specjaliści mogli przeprowadzać nowe reakcje chemiczne i wydostać się ze swoich skrajnych nisz.

“Myślę, że większość z nas wyobrażała sobie horyzontalny transfer genów jako przechodzenie jednego genu w danym czasie – dodaje Martin. – Dostajesz jeden gen tu, jeden gen tam i majsterkujesz. Nie działa to jednak zbyt dobrze, kiedy zmieniasz styl życia. Kiedy zmieniasz metanogen w coś, czym on nie jest, jeden gen naraz niewiele by pomógł. Zamiast tego wygląda na to, że geny przychodziły w dużych grupach. Widzimy nabywanie całych bryłek, hurtowe wprowadzanie nowych szlaków”.

“Ta praca jest jedną z najlepszych demonstracji kluczowej roli horyzontalnej wymiany genów w ewolucji prokariontów” – mówi Eugene Koonin z National Center for Biotechnology Information. (Prokarionty to określenie zarówno bakterii, jak archeonów.) Koonin dodaje jednak, że pora zabrać się za szczegóły.

Archibald zgadza się. Badanie „dostarcza mocnych dowodów na istnienie szlaków dzielenia się genami w ewolucyjnej historii prokariontów” – mówi. To jest jednak punkt wyjściowy. Zespół musi teraz zbadać każdą z głównych grup archeonów i zrozumieć, w jaki sposób geny bakteryjne zmieniły możliwości i życie ich odbiorców.

Oczywiście, nie jest to pierwsza informacja, że bakterie w radykalny sposób zmieniły ewolucję archeonów. Martin i inni twierdzą, że historia powstania całego złożonego życia na Ziemi zaczęła się, kiedy zlały się bakteria i archeon. To pojedyncze i niesłychanie nieprawdopodobne zdarzenie dostarczyło archealnemu gospodarzowi źródło dodatkowej energii, pozwalając mu na stanie się dużym i złożonym stworzeniem w sposób, w jaki nie potrafił żaden z jego krewnych. To były narodziny eukariontów – unikatowa fuzja, która stworzyła ciebie, cielę i cis. Można przeczytać więcej o tej nadzwyczajnej historii w artykule Nautilus, który napisałem na początku roku.

Źródło: Nelson-Smith, Sousa, Roettger, Lozada-Chavez, Thiergart, Janssen, Bryant, Landan, Schonheit, Siebers, McInerney & Martin. 2014. Origins of major archaeal clades correspond to gene acquisitions from bacteria.

A flood of borrowed genes at the origins of tiny extremists

Not Exactly Rocket Science, 15 października 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska