Od objavu takého fenoménu, akým je horizontálny prenos génov, a to nie z rodičov na potomkov, je celý živý svet na našej planéte reprezentovaný ako jeden informačný systém. A v tomto systéme je možné požičať si úspešný evolučný vynález jedného druhu druhým. Čo je to vertikálny a horizontálny prenos génov, aké sú mechanizmy tohto procesu a príklady v organickom svete – to všetko je tento článok.
Susedské gény
Každý vie, že gény získavame od rodičov. A sú od svojich rodičov. Toto je vertikálny prenos. A ak sa náhle objaví mutácia, ktorá sa ukáže byť užitočnou pre prežitie alebo adaptáciu a získa oporu v genóme populácie, potom druh získa výhody v boji o existenciu.
Človek má zároveň svoje vlastné gény,vošky majú svoje a žraloky majú svoje. Dostať sa medzi druhy je pre nich takmer nemožné. Ale niekedy sa to stane - toto je horizontálny prenos génov.
Toto robí moderné genetické inžinierstvo. Výsledkom takéhoto prenosu génov sú geneticky modifikované organizmy (napríklad svietiaci tardigrade na fotografii vyššie). Ale v prírode tento jav existuje už dlho.
Podstata veci
Vertikálny prenos génov je fenomén prenosu dedičného materiálu z rodičovských foriem na dcérske organizmy.
Horizontálny prenos génov je prirodzená situácia prenosu génov z jedného dospelého organizmu do druhého. Zároveň objektívne existujú dva organizmy a niekedy patria k rôznym biologickým druhom.
Príkladom horizontálneho prenosu génov v baktériách je prenos génov rezistencie z jedného bakteriálneho kmeňa na druhý.
Potrebné podmienky
Pre pochopenie tohto javu je potrebné poznať podmienky, za ktorých je takýto prevod v zásade možný, a to:
- Je potrebné mať sprostredkovateľa na „transport“génov z jednej bunky do druhej, z jedného organizmu do druhého.
- Musí existovať molekulárny mechanizmus, ktorý by umožnil vloženie cudzích génov do hostiteľského génového súboru.
Tieto podmienky môžu dobre spĺňať retrovírusy a iné transpozóny (prvky DNA). A presne takéto metódy horizontálneho prenosu génov si dnes osvojilo genetické inžinierstvo.
Aj keďMechanizmy takéhoto prenosu génov sa dnes iba skúmajú, okrem vírusov môže k takémuto prenosu dôjsť aj pomocou voľných úsekov deoxyribonukleových kyselín (transpozónov), ktoré sa do tela dostanú jednoduchým zavedením alebo s parazitickými organizmami. Ten môže zmeniť nielen genetický aparát hostiteľa, ale aj jeho ekologické miesto v systéme biocenózy.
Pozadie
Bol to prenos génov rezistencie na antibiotiká medzi rôznymi bakteriálnymi kmeňmi, ktorý bol prvýkrát popísaný v Japonsku v roku 1959.
Už v polovici 90. rokov 20. storočia molekulárni biológovia dokázali, že horizontálny prenos génov u prokaryotov a eukaryotov sa podieľal na evolučnom vývoji života na našej planéte.
V roku 2010 bola publikovaná štúdia profesora Cedrica Feschotta, ktorá predstavila analýzu genómu opíc vačica a saimiri. Pohrýzol ich jeden druh ploštice. V genómoch cicavcov sa našiel transpozoon, ktorý má 98% identitu s hmyzom. Pre vašu informáciu, tieto ploštice pohryzú nielen opice a vačice.
Odteraz sa hypotéza horizontálneho prenosu génov medzi rôznymi doménami organizmov stala novou paradigmou biológie.
Farebné chyby
A ak horizontálny prenos génov v baktériách za posledných 30 rokov nevyvolal medzi biológmi pochybnosti, potom jeho možnosť v mnohobunkových organizmoch vyvolala mnoho otázok. Pozornosť biológov vtedy upútala voška obyčajná, v ktorejexistujú jedinci so zelenou a červenou farbou tela.
Analýza pigmentov, ktoré dodávajú farbu červeným jedincom, odhalila prítomnosť karotenoidov – rastlinných pigmentov. Odkiaľ vošky získali gény, ktoré sú jedinečné pre rastlinné organizmy? Dnes je sekvenovanie genómu hmyzu pre výskumníkov pomerne jednoduchou záležitosťou. Takto sa zistilo, že gény vošiek zodpovedné za syntézu červeného pigmentu sú úplne totožné s génmi niektorých húb, ktoré parazitujú v tele vošiek bez toho, aby spôsobili nejaké viditeľné poškodenie.
S najväčšou pravdepodobnosťou na úsvite evolúcie vošiek (asi pred 80 miliónmi rokov) došlo k zlyhaniu genetického stroja a gény húb boli zabudované do genómu hmyzu.
Evolúcia a biodiverzita
Všetka fylogenetická systematika organického sveta je založená na Darwinovom koncepte divergencie. Jeho podstata je nasledovná: akonáhle dôjde k reprodukčnej izolácii medzi populáciami druhu, môžeme hovoriť o procese speciácie. A už dva druhy sa naďalej vyvíjajú na základe prirodzeného výberu a náhodných mutácií.
Objav horizontálneho prenosu génov medzi druhmi a väčšími taxónmi len dokázal, že v tak krátkom časopriestorovom období (4 miliardy rokov) môže živá hmota na našej planéte prejsť z jednobunkových foriem na vysoko organizované mnohobunkové.
Celá biota planéty sa tak stáva jediným laboratóriom na vytváranie nových dedičných vlastností a je to horizontálny pohyb génovmohol a naďalej výrazne urýchli evolučný proces.
Požičiame si nejaké gény
V roku 2015 genetik Alistair Crisp z Cambridge (UK) študoval genómy 12 druhov ovocných mušiek Drosophila, 4 druhov škrkaviek a 10 druhov primátov (z toho jeden je človek). Vedec hľadal „mimozemské“časti DNA.
Výsledky výskumu potvrdili prítomnosť 145 oblastí v genómoch, ktoré sú výsledkom horizontálneho prenosu génov v eukaryotoch.
Niektoré z týchto génov sa podieľajú na metabolizme bielkovín a lipidov, iné na imunitných odpovediach. Najdôležitejšie je, že sa podarilo identifikovať pravdepodobných darcov týchto génov. Ukázalo sa, že sú to protisti (najjednoduchšie eukaryoty), baktérie (prokaryoty) a huby.
A čo my
Je už spoľahlivo známe, že horizontálnym prenosom génov u ľudí sa objavili gény zodpovedné za krvné skupiny AB0.
Väčšina dôkazov o takomto prenose génov u primátov má veľmi starý pôvod, ktorý sa datuje od spoločného predka s inými strunatcami.
Podľa nedávnych štúdií je za vznik placenty u ľudí zodpovedný aj gén vírusu, ktorý bol zachytený niekde na úsvite tvorby placentárnych zvierat.
Výsledky sekvenovania ľudského genómu ukázali, že obsahuje asi 8 % kúskov vírusových genómov, ktoré sa nazývajú „spiace gény“.
Vek mutantov
Už sme tutéma hororových príbehov, ktorými strašia zelení aktivisti. Čo ak sa tieto „spiace“gény zapnú? Alebo človeka hryzie kliešť a vťahuje mu do genómu nejakú hrôzu? Alebo jeme geneticky modifikovanú sóju a stávame sa mutantmi? Ale napokon, za 4 miliardy rokov sa biodiverzita na planéte len zvyšovala a vy a ja sme stále trochu ako veľryby, ako vošky ako huby. Prečo je to tak?
Po prvé, mechanizmus horizontálneho prenosu existuje v prírode, pokiaľ existuje samotný život. A na príklade vošiek je úplne jasné, že takýto prenos génov bol zameraný práve na zvýšenie adaptability organizmov na podmienky prostredia (červené sú na niektorých častiach rastlín menej viditeľné). A genetickí inžinieri v tomto zmysle neprišli s ničím novým. Paradajky s génmi arktických rýb majú zvýšenú odolnosť voči chladu, čo im umožňuje pestovať ich v severných oblastiach.
Po druhé, napriek možnosti genetického prenosu sme zatiaľ nepozorovali zjednotenie (jednotnosť) genómu všetkých živých organizmov na planéte. Stabilita biologického systému, ktorým je bunka a organizmus, je dostatočne vysoká na to, aby obmedzila neefektívny prenos génov. No zároveň je práve tento transfer nástrojom biologickej evolúcie, ktorá vedie k biodiverzite. Takže nepotrvá dlho a medvede budú vyzerať ako šarkany a psy ako chameleóny.
