Obce geny pomogły okrzemkom odnieść sukces • Alexander Markov • Wiadomości naukowe o "Elementach" • Genetyka, mikrobiologia, ewolucja

Obce geny pomogły okrzemkom osiągnąć sukces

Pentat okrzemki Phaeodactylum tricornutum. Zdjęcie z upload.wikimedia.org

Okrzemki pojawiły się stosunkowo niedawno w geologicznych skalach czasowych, jednak udało im się stać jedną z najważniejszych grup organizmów fotosyntetycznych na planecie. Analiza genomu okrzemek Phaeodactylum wykazali, że zdumiewający sukces ewolucyjny okrzemek wynika w dużej mierze z ich zdolności do pożyczania użytecznych genów od bakterii.

Duży międzynarodowy zespół naukowców zgłosił się w najnowszym numerze czasopisma. Natura o czytaniu genomu okrzemek Phaeodactylum tricornutum. Jest to drugi rodzaj glonów okrzemkowych, których genom był czytelny (opublikowano pierwszą w 2004 r.) Thalassiosira). Okrzemki są podzielone na centryczne i pentate (patrz rysunki), z Thalassiosira odnosi się do pierwszej grupy, oraz Phaeodactylum – do drugiego.

Zainteresowanie badaczy okrzemkami nie jest przypadkowe: według przybliżonych szacunków udział tych jednokomórkowych glonów stanowi około 20% całkowitej pierwotnej produkcji biosfery. Okrzemki są prawie wszechobecne: można je znaleźć nie tylko we wszystkich morzach i słodkowodnych ciałach, ale także w tak ekstremalnych środowiskach, jak pustynie wysokogórskie i lód na Antarktydzie.

Okrzemki – stosunkowo młoda grupa.Najstarsze znaleziska skamieniałych centrycznych okrzemek znane są z osadów jurajskich (około 180 milionów lat temu). Pątne okrzemki są dwa razy młodsze: znane są tylko z późnej kredy (90 milionów lat temu); podczas gdy są one znacznie bardziej różnorodne i liczniejsze niż ich centryczni przodkowie.

Przedstawiciele centric (u góry) i okrzemki pentate. Zdjęcie z artykułu: L. Medlin, P. Sims. Niemal nieśmiertelny i zawsze młody (Science First Hand, nr 4, 2006)

Dysponując dwoma kompletnymi genomami okrzemek, naukowcy byli w stanie wyciągnąć szereg ważnych wniosków dotyczących ewolucji grupy.

Charakterystyka porównawcza genomów dwóch gatunków okrzemek:

Pentat okrzemki PhaeodactylumCentryczne okrzemki Thalassiosira
Wielkość genomu27,4 miliona par zasad32,4 miliona par nukleotydów
Liczba genów1040211776
Liczba genów występujących w wielu grupach eukariontów35234332
Liczba genów napotkanych w okrzemkach i nikt inny (liczby w tej linii nie są takie same ze względu na różną liczbę duplikacji genów w obu rodzajach okrzemek)13281407
Liczba genów unikalnych dla tego gatunku43663912
Liczba intronów (niekodujących wstawek w genach)816917880
Udział ruchomych elementów genetycznych – retrotranspozony klasy LTR5,8%1,1%

Jednym z głównych wniosków jest to, że ewolucja okrzemek była zaskakująco szybka. Tylko 57% genów okrzemek penatomnych znalazło homologi (blisko spokrewnione geny) w genomie centrycznego okrzemka. Sekwencje aminokwasowe białek w dwóch okrzemkach pokrywają się tylko z 54,9%. Dla porównania, białka ludzkie i ryby fugu mają 61,4% tych samych aminokwasów, ludzki i ascidian – 52,6%. Tak więc, zgodnie ze strukturą białek, dwie okrzemki są bardziej różne od siebie niż człowiek od ryb, ale mniej niż człowiek od niższych strunowców, które są reprezentowane przez ascidium. Tymczasem linie ewolucyjne ssaków i ryb płetwonogich rozeszły się, według dostępnych szacunków, około 450 milionów lat temu, czyli wieleset milionów lat przed pojawieniem się okrzemek. Oznacza to, że wskaźniki ewolucji molekularnej w okrzemkach były kilkakrotnie wyższe niż u kręgowców.

Duplikacje (podwojenie) dużych fragmentów genomu nie odgrywały tak istotnej roli w ewolucji okrzemek jak u kręgowców (patrz: Genom lanceletowy pomógł ujawnić tajemnicę ewolucyjnego sukcesu kręgowców, Elements, 06.23.2008). Cechą ewolucji centrycznych okrzemek było nabycie (prawdopodobnie stosunkowo niedawno) dużej liczby nowych intronów – niekodujących wstawek w genach.Okrzemki okrzemkowe nie miały masowej dystrybucji intronów, ale w swoich genomach mobilne elementy genetyczne – retrotranspozony – szybko się rozmnażały (patrz tabela). Po analizie dodatkowych danych na temat innych rodzajów okrzemek penatomicznych autorzy doszli do wniosku, że aktywność retrotranspozonów była ważnym czynnikiem przyczyniającym się do wzrostu różnorodności gatunkowej tej grupy. Przeskakując z miejsca na miejsce wewnątrz genomu, retrotranspozony mogą wpływać na aktywność sąsiadujących genów i przyczyniać się do wzrostu zmienności genetycznej.

Okrzemki wraz z brązowymi i złotymi algami i niektórymi innymi eukariotami są częścią grupy Heteroconta. Uważa się, że heterokonty pojawiły się około 1 miliarda lat temu w wyniku symbiozy heterotroficznego (nie fotosyntezy) organizmu jednokomórkowego z jednokomórkowym czerwonym glonem. W czerwonych algach, podobnie jak w zielonych roślinach, chloroplasty (organelle, które służą do fotosyntezy) są pierwotne, to znaczy pochodzą bezpośrednio z symbiotycznych cyjanobakterii. Pierwotne chloroplasty są zawsze otoczone przez dwie membrany. Przodkowie heterokontora połknęli jednokomórkowe czerwone algi i przekształcili je w fotosyntetyczny symbiont.Następnie prawie nic nie pozostało z czerwonej komórki algi, z wyjątkiem zewnętrznej powłoki i chloroplastu. Geny symbiotycznych czerwonych alg zostały częściowo utracone, częściowo – przeniesione do genomu gospodarza. Dlatego geterokont chloroplastów są nazywane „wtórnym”, a nie są one otoczone przez dwa, ale cztery błony (w tym dwa wewnętrzne – powłoka chloroplastów pierwotnych, trzeci od wewnątrz – były komórki osłonki z czerwonych alg, oraz po czwarte, zewnętrzna – jest powłoką bańki-wakuole, które zostało połknięte czerwone algi).

Autorzy przetestowali tę teorię, przeprowadzając ukierunkowane poszukiwania w genomach okrzemek genów podobnych do genów czerwonych alg. Poszukiwanie zakończyło się sukcesem: odkryto ponad 170 genów odziedziczonych przez przodków okrzemek z czerwonych alg. Ogromna większość tych genów jest niezbędna do pracy z chloroplastami. Wynik ten jest bardzo ważnym argumentem przemawiającym za tym, że obecne pomysły dotyczące wczesnej ewolucji eukariotów są w zasadzie poprawne.

Istnieje również wiele unikalnych genów w genomach okrzemek, które nie mają odpowiedników w innych żywych organizmach. Wiele z tych nowych genów powstało w wyniku powielania i tasowania fragmentów starych genów.Najwyraźniej aktywność ruchomych elementów genetycznych, retrotranspozonów, była ważną siłą napędową tych rekombinacji.

Centryczne okrzemki Thalassiosira. Genom tego wodorostu został odczytany w 2004 roku. Zdjęcia z pliku blocs.xtec.cat

Najbardziej zdumiewające jest to, że w genomach okrzemek znaleziono wiele genów, które były wyraźnie zapożyczone przez okrzemki z różnych organizmów prokariotycznych: cyjanobakterii, proteobakterii, archeonów i innych. W genomie Phaeodactylum Znaleziono 587 takich pożyczonych genów. Dziś jest to rekordowa liczba genów pochodzenia prokariotycznego, które znajdują się w genomie eukariotycznym. Ponad połowa z tych genów (56%) również posiada Thalassiosira. Najprawdopodobniej geny te były pożyczane przez okrzemki z bakterii przez długi czas – nawet zanim rozdzieliły się ewolucyjne linie centrycznych i pielichowych okrzemek. Pozostałe 44%, najwyraźniej, zostało pożyczonych przez przodków Phaeodactylum już po tym wydarzeniu, czyli w ciągu ostatnich 90 milionów lat.

Wydaje się, że geny bakterii znacznie rozszerzyły możliwości biochemiczne okrzemek. Geny te pomagają okrzemkom w przeprowadzaniu szeregu reakcji biochemicznych, które nie są charakterystyczne dla innych eukariotów.Ponadto zajmują się budową delikatnych łusek krzemieniowych – głównej "karty telefonicznej" okrzemek, które pod wieloma względami zapewniły ich ewolucyjny sukces. Okrzemki "pożyczały" także wiele genów receptorów i białek sygnałowych od bakterii, za pomocą których bakterie odbierają sygnały z otoczenia i reagują na nie. Wśród receptorów zapożyczonych z bakterii znajduje się nawet kilka światłoczułych białek, dzięki którym okrzemki mogą reagować na zmiany światła.

Autorzy sugerują, że aktywna wymiana genów między okrzemkami i bakteriami była jedną z głównych przyczyn szybkiej ewolucji okrzemek i ich ewolucyjnego sukcesu. Wyniki sugerują, że pozioma wymiana genetyczna wydaje się odgrywać ważniejszą rolę w ewolucji eukariotów (przynajmniej jednokomórkowych), niż wcześniej sądzono.

Źródło: Bowler C., i in. Genom Phaeodactylum ujawnia historię ewolucyjną genomów okrzemek // Natura. Udostępnienie publikacji online 15 października 2008 r.

Zobacz także:
1) Linda Medlin, Pat Sims. Niemal nieśmiertelny i zawsze młody, Science First Hand, nr 4, 2006 (najpopularniejszy artykuł o okrzemkach).
2) Glony rywalizują o mocznik (popularne streszczenie artykułu: L. V. Ilyash, E. V. Zapara.Konkurs dwóch okrzemek morskich na azot mocznika i azotanów na trzech poziomach oświetlenia // Journal of General Biology. 2006. T. 67. str. 464-475.

Alexander Markov


Like this post? Please share to your friends:

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: