Hvordan overvandt genetiske parasitter det naturlige udvalg i milliarder af år?

Næsten halvdelen af ​​det menneskelige genom består af genetiske parasitter - transposoner, plasmider, vira, og andre genetiske elementer, der har en ting tilfælles:de yder ikke nogen gavnlige bidrag til deres værter, og kan nogle gange have skadelige virkninger. Genetiske parasitter - undertiden kaldet "egoistiske gener" - opstod tidligt i livets historie og findes i dag i næsten alle levende organismer.

Opdagelsen af, at genetiske parasitter er så allestedsnærværende og rigelige, er et af de mange overraskende fund inden for genomik, men mange spørgsmål er ubesvarede. Et af de mest grundlæggende spørgsmål er simpelthen, hvordan genetiske parasitter har formået at vedvare så længe, på trods af beviset for, at de er skadelige i evolutionære tidsskalaer. Typisk, naturlig selektion resulterer i sletninger af skadelige gener, så hovedspørgsmålet er, hvorfor har naturlig selektion ikke udslettet genetiske parasitter?

I en ny undersøgelse offentliggjort i EPL , forskere Jaime Iranzo og Eugene V. Koonin ved National Institutes of Health i Bethesda, Maryland, har fundet ud af, at horisontal genoverførsel kan være en af ​​nøglerne til at forstå vedholdenhed og spredning af genetiske parasitter over evolutionære tidsskalaer.

Ved horisontal genoverførsel (HGT), genetisk information overføres til en organisme ved en række andre mekanismer end den traditionelle forælder-til-afkom-proces til overførsel af DNA. For eksempel, en organisme kan modtage genetisk materiale direkte fra en anden organisme - endda en af ​​en anden art - eller opfange genetisk materiale fra det omgivende miljø. For genetiske parasitter, HGT tilbyder en måde at inficere nye værter på, tilvejebringe en potentiel mekanisme til at kompensere for de tab, der skyldes naturligt udvalg.

Tidlige undersøgelser har vist, imidlertid, at det er usandsynligt, at HGT alene kan gøre det muligt for genetiske parasitter at vedvare i lange perioder, under forudsætning af typiske HGT -satser. Senere forskning antydede, at tilfældige udsving i HGT -hastighederne muliggjorde persistens af nogle genetiske parasitter.

Nu i den nye undersøgelse, forskerne analyserede store mængder data om spredning af genetiske parasitter i mikrobielle populationer, og brugte den til at estimere de minimale HGT-overførselshastigheder, der kræves for langsigtet overlevelse af genetiske parasitter. Analysen involverede brug af matematisk modellering og komparativ genomik til at kvantificere virkningerne af forskellige faktorer på spredning og persistens af genetiske parasitter.

Forskerne fandt ud af, at selvom den kritiske HGT -hastighed afhænger af styrken af ​​det naturlige udvalg og graden af ​​gen -sletning, de typiske HGT-satser for genetiske parasitter er generelt høje nok til at garantere deres langsigtede overlevelse. Resultaterne viser, at genetiske parasitter kan bruge HGT til at overvinde naturlig selektion og forblive i deres værts genomer i milliarder af år. Deres resultater hjælper også med at forklare, hvorfor forskellige typer genetiske parasitter bruger forskellige strategier.

"Ved at kvantificere omkostningerne ved genetiske parasitter og den mindste HGT -hastighed, som parasitter kræver for at vedvare, vi fik en grundlæggende forståelse af, hvorfor egoistiske gener adskiller sig i deres parasitære strategier, "Fortalte Iranzo Phys.org . "For eksempel, genetiske parasitter, der er meget skadelige, har brug for meget høje HGT -satser, som kun kan opnås ved at udvikle autonome mekanismer for HGT (tilfælde af vira og konjugerende plasmider) eller ved piggybacking på en anden parasit, der er autonom for HGT (tilfælde af toksin-antitoxin-moduler). Milde genetiske parasitter, såsom transposoner, har flere muligheder, såsom udviklende mekanismer, der gør det muligt for dem at formere sig inden for deres værtsgenomer. "

Selvom genetiske parasitter ikke giver nogen funktionelle fordele til deres værter, konkurrencen mellem tidlige levende organismer og genetiske parasitter kan have spillet en afgørende rolle i nogle af de store evolutionære begivenheder i levende organismer. For eksempel, denne konkurrence kan have været en af ​​drivkræfterne bag celledeling og oprindelsen til multicellulære livsformer, og kan også have gjort levende organismer mere resistente over for andre parasitinvasioner. At forstå vedholdenheden af ​​genetiske parasitter har implikationer for forståelsen af ​​disse begivenheder, samt at hjælpe med at besvare andre spørgsmål.

"En naturlig forlængelse af vores arbejde er at studere interaktionerne mellem forskellige klasser af genetiske parasitter, "Iranzo sagde." Hvordan påvirker tilstedeværelsen af ​​en genetisk parasit andre genetiske parasiters overlevelse på lang (og kort) sigt? Hvilke økologiske og evolutionære faktorer fremmer samarbejde og/eller konkurrence mellem genetiske parasitter? Et andet fokus ville være at fange den forbigående dynamik observeret på skalaen af ​​flere populationer og arter, hvor genetiske parasitter ser ud til at formere sig i nogle arter og falde i andre. "

© 2018 Phys.org