Alates sellise nähtuse avastamisest nagu horisontaalne geeniülekanne, nimelt mitte vanematelt järglastele, on kogu meie planeedi elusmaailm esindatud ühtse infosüsteemina. Ja selles süsteemis on võimalik laenata ühe liigi edukat evolutsioonilist leiutist teise poolt. Mis on vertikaalne ja horisontaalne geeniülekanne, millised on selle protsessi mehhanismid ja näited orgaanilisest maailmast – see kõik on artiklis.
Naabrite geenid
Kõik teavad, et me saame oma geenid vanematelt. Ja nad on oma vanematelt. See on vertikaalne ülekanne. Ja kui järsku tekib mutatsioon, mis osutub kasulikuks ellujäämiseks või kohanemiseks ja saab populatsiooni genoomis jalad, siis saab liik olelusvõitluses eeliseid.
Samas on inimesel oma geenid,lehetäidel on oma ja haidel oma. Liikide vahele pääsemine on neil peaaegu võimatu. Kuid mõnikord juhtub – see on horisontaalne geeniülekanne.
Seda teeb kaasaegne geenitehnoloogia. Geneetiliselt muundatud organismid on sellise geeniülekande tulemus (näiteks ül altoodud fotol helendav tardigraad). Kuid looduses on see nähtus eksisteerinud juba pikka aega.
Asja tuum
Vertikaalne geeniülekanne on päriliku materjali ülekandumine vanemvormidelt tütarorganismidele.
Horisontaalne geeniülekanne on loomulik olukord, kus geenid kanduvad ühelt täiskasvanud organismilt teisele. Samal ajal eksisteerivad objektiivselt kaks organismi ja mõnikord kuuluvad nad erinevatesse bioloogilistesse liikidesse.
Bakterite horisontaalse geeniülekande näide on resistentsusgeenide ülekandmine ühelt bakteritüvelt teisele.
Vajalikud tingimused
Selle nähtuse mõistmiseks on vaja teada tingimusi, mille korral selline ülekanne on põhimõtteliselt võimalik, nimelt:
- Geenide ühest rakust teise, ühest organismist teise "transpordiks" on vaja vahendajat.
- Peab olema molekulaarne mehhanism, mis võimaldaks võõrgeenide sisestamist peremeesorganismi geenikomplekti.
Neid tingimusi võivad täita retroviirused ja muud transposoonid (DNA elemendid). Ja just sellised horisontaalse geeniülekande meetodid on tänapäeval kasutusele võtnud geenitehnoloogia.
KuigiTänapäeval alles uuritakse sellise geeniülekande mehhanisme, lisaks viirustele võib selline ülekanne toimuda ka desoksüribonukleiinhapete vabade lõikude (transposoonide) abil, mis sisenevad organismi lihtsa sissetoomise teel või parasiitorganismidega. Viimane võib muuta mitte ainult peremehe geneetilist aparaati, vaid ka tema ökoloogilist kohta biotsenoosisüsteemis.
Taust
Antibiootikumiresistentsuse geenide ülekandmist erinevate bakteritüvede vahel kirjeldati esmakordselt Jaapanis 1959. aastal.
Juba 1990. aastate keskpaigaks tõestasid molekulaarbioloogid, et horisontaalne geeniülekanne prokarüootides ja eukarüootides oli seotud elu evolutsioonilise arenguga meie planeedil.
2010. aastal avaldati professor Cedric Feschotti uuring, milles esitati opossumi- ja saimiri-ahvide genoomi analüüs. Neid hammustas ühte tüüpi putukas. Imetajate genoomist on leitud transposoon, millel on 98% identsus putukatega. Teadmiseks, need putukad hammustavad mitte ainult ahve ja opossume.
Nüüdsest on hüpotees horisontaalsest geeniülekandest organismide erinevate domeenide vahel muutunud bioloogia uueks paradigmaks.
Värvilised vead
Ja kui horisontaalne geeniülekanne bakterites viimase 30 aasta jooksul ei ole tekitanud bioloogides kahtlusi, siis selle võimalikkus mitmerakulistes organismides on tekitanud palju küsimusi. Just siis köitis bioloogide tähelepanu harilik lehetäi, milleson rohelist ja punast kehavärviga isikuid.
Punastele isikutele värvi andvate pigmentide analüüs näitas karotenoidide – taimsete pigmentide – olemasolu. Kust said lehetäid taimeorganismidele ainulaadsed geenid? Tänapäeval on putuka genoomi järjestamine teadlaste jaoks üsna lihtne asi. Nii avastati, et lehetäide geenid, mis vastutavad punase pigmendi sünteesi eest, on täiesti identsed mõnede seente omadega, mis parasiteerivad lehetäide kehas ilma nähtavat kahju tekitamata.
Tõenäoliselt toimus lehetäide evolutsiooni koidikul (umbes 80 miljonit aastat tagasi) geenimasina rike ja seenegeenid olid sisse ehitatud putuka genoomi.
Evolutsioon ja bioloogiline mitmekesisus
Kogu orgaanilise maailma filogeneetiline süstemaatika põhineb Darwini lahknemise kontseptsioonil. Selle olemus on järgmine: niipea, kui liigi populatsioonide vahel toimub sigimine, saame rääkida eristumise protsessist. Ja juba kaks liiki arenevad edasi loodusliku valiku ja juhuslike mutatsioonide põhjal.
Liikide ja suuremate taksonite vahelise horisontaalse geeniülekande avastamine tõestas vaid seda, et nii lühikese aegruumi (4 miljardit aastat) jooksul võib meie planeedi elusaine muutuda üherakulistest vormidest kõrgelt organiseeritud mitmerakuliseks.
Seega muutub kogu planeedi elustik üheks laboriks uute pärilike tunnuste loomiseks ja see on geenide horisontaalne liikuminevõib ja jätkab evolutsiooniprotsessi märkimisväärselt kiirendamist.
Laename mõned geenid
2015. aastal uuris geneetik Alistair Crisp Cambridge'ist (Ühendkuningriik) 12 liiki äädikakärbeste Drosophila, 4 liiki ümarusside ja 10 liigi primaatide (neist üks on inimene) genoome. Teadlane otsis DNA "tulnukat" osa.
Uurimistulemused on kinnitanud 145 piirkonna olemasolu genoomis, mis on eukarüootide horisontaalse geeniülekande tulemus.
Mõned neist geenidest osalevad valkude ja lipiidide metabolismis, teised - immuunvastustes. Kõige tähtsam on see, et oli võimalik tuvastada nende geenide tõenäolised doonorid. Need osutusid protistideks (kõige lihtsamad eukarüootid), bakteriteks (prokarüootid) ja seenteks.
Aga meiega?
On juba usaldusväärselt teada, et horisontaalse geeniülekande kaudu inimestel ilmusid AB0 veregruppide eest vastutavad geenid.
Enamik tõendeid sellise geeniülekande kohta primaatidel on väga iidse päritoluga, mis pärineb ühisest esivanemast koos teiste akordidega.
Viimaste uuringute kohaselt on platsenta moodustumine inimestel vastutav ka viiruse geeni eest, mis tabati kuskil platsentaloomade tekke koidikul.
Inimese genoomi sekveneerimise tulemused näitasid, et see sisaldab umbes 8% viiruse genoomide tükkidest, mida nimetatakse "uinuvateks geenideks".
Mutantide ajastu
Siia me jõuameõudusjuttude teema, millega roheaktivistid hirmutavad. Mis siis, kui need "magavad" geenid sisse lülituvad? Või hammustab puuk inimest ja tõmbab tema genoomi mingi õuduse? Või sööme geneetiliselt muundatud sojaube ja muutume mutantideks? Kuid lõppude lõpuks on planeedi bioloogiline mitmekesisus 4 miljardi aasta jooksul ainult suurenenud ja sina ja mina oleme ikka veel natuke nagu vaalad, nagu lehetäid on nagu seened. Miks see nii on?
Esiteks, horisontaalse ülekande mehhanism eksisteerib looduses seni, kuni eksisteerib elu ise. Ja lehetäide näitel on täiesti selge, et selline geeniülekanne oli suunatud just organismide kohanemisvõime tõstmisele keskkonnatingimustega (punased on teatud taimeosadel vähem nähtavad). Ja geenitehnoloogid selles mõttes midagi uut välja ei tulnud. Arktiliste kalade geenidega tomatitel on suurenenud külmataluvus, mis võimaldab neid kasvatada põhjapoolsetes piirkondades.
Teiseks, vaatamata geneetilise ülekande võimalusele, ei ole me veel täheldanud kõigi planeedi elusorganismide genoomi ühtlustumist (ühtlust). Bioloogilise süsteemi, milleks on rakk ja organism, stabiilsus on piisav alt kõrge, et piirata ebaefektiivset geeniülekannet. Kuid samal ajal on just see ülekanne bioloogilise evolutsiooni tööriist, mis viib bioloogilise mitmekesisuseni. Nii et ei lähe kaua aega, kui karud näevad välja nagu tuulelohed ja koerad nagu kameeleonid.
