מאז גילוי תופעה כזו כמו העברת גנים אופקית, כלומר לא מהורים לצאצאים, כל העולם החי על הפלנטה שלנו מיוצג כמערכת מידע אחת. ובמערכת הזו אפשר לשאול המצאה אבולוציונית מוצלחת של מין אחד על ידי אחר. מהי העברת גנים אנכית ואופקית, מהם המנגנונים של תהליך זה ודוגמאות בעולם האורגני - כל זה הוא המאמר.
גנים של שכן
כולם יודעים שאנחנו מקבלים את הגנים שלנו מההורים שלנו. והם מההורים שלהם. זוהי ההעברה האנכית. ואם פתאום תתרחש מוטציה שתתברר כמועילה להישרדות או להסתגלות, ותשיג דריסת רגל בגנום של האוכלוסייה, אז המין יזכה ליתרונות במאבק על הקיום.
במקביל, לאדם יש גנים משלו,לכנימות יש משלהם, ולכרישים יש משלהם. כמעט בלתי אפשרי עבורם לעבור בין המינים. אבל לפעמים זה קורה - זו העברת גנים אופקית.
זה מה שעושה הנדסה גנטית מודרנית. אורגניזמים מהונדסים גנטית הם תוצאה של העברת גנים כזו (לדוגמה, הטארדיגרד הזוהר בתמונה למעלה). אבל בטבע, התופעה הזו קיימת כבר הרבה זמן.
לב העניין
העברת גנים אנכית היא תופעה של העברת חומר תורשתי מצורות הוריות לאורגניזמים בת.
העברת גנים אופקית היא מצב טבעי של העברת גנים מאורגניזם בוגר אחד לאחר. במקביל, שני אורגניזמים קיימים באופן אובייקטיבי, ולפעמים הם שייכים למינים ביולוגיים שונים.
דוגמה להעברת גנים אופקית בחיידקים היא העברה של גנים עמידות מזן חיידקי אחד למשנהו.
תנאים הכרחיים
כדי להבין תופעה זו, יש צורך לדעת את התנאים שבהם העברה כזו אפשרית באופן עקרוני, כלומר:
- יש צורך במתווך ל"הובלה" של גנים מתא אחד למשנהו, מאורגניזם אחד למשנהו.
- חייב להיות מנגנון מולקולרי שיאפשר החדרת גנים זרים למערך הגנים של המארח.
תנאים אלה עשויים להתמלא על ידי רטרו-וירוסים וטרנספוזונים אחרים (אלמנטים של DNA). ודווקא שיטות כאלה של העברת גנים אופקית אימצה היום הנדסה גנטית.
למרותכיום חוקרים את המנגנונים של העברת גנים כזו רק, בנוסף לנגיפים, העברה כזו יכולה להתרחש גם בעזרת קטעים חופשיים של חומצות דאוקסיריבונוקלאיות (טרנספוזונים), הנכנסות לגוף דרך החדרה פשוטה או עם אורגניזמים טפילים. האחרון יכול לשנות לא רק את המנגנון הגנטי של המארח, אלא גם את מקומו האקולוגי במערכת הביוקנוזה.
רקע
זו הייתה העברת גנים של עמידות לאנטיביוטיקה בין זני חיידקים שונים שתוארה לראשונה ביפן ב-1959.
כבר באמצע שנות ה-90, ביולוגים מולקולריים הוכיחו שהעברת גנים אופקית בפרוקריוטים ובאאוקריוטים הייתה מעורבת בהתפתחות האבולוציונית של החיים על הפלנטה שלנו.
בשנת 2010 פורסם מחקר של פרופסור סדריק פשוטט, שהציג ניתוח של הגנום של קופי האופוסום והסימירי. הם ננשכו על ידי סוג אחד של חרק. בגנום של יונקים נמצא טרנספוזון בעל זהות של 98% עם חרקים. לידיעתך, באגים אלה נושכים לא רק קופים ואופוסומים.
מעתה ואילך, ההשערה של העברת גנים אופקית בין תחומים שונים של אורגניזמים הפכה לפרדיגמה חדשה של ביולוגיה.
באגים צבעוניים
ואם העברת הגנים האופקית בחיידקים ב-30 השנים האחרונות לא העלתה ספקות בקרב ביולוגים, אז האפשרות שלה באורגניזמים רב-תאיים עוררה שאלות רבות. זה היה אז כי תשומת הלב של ביולוגים נמשכה על ידי כנימה מצויה, שבהיש אנשים עם צבע ירוק ואדום של הגוף.
ניתוח של הפיגמנטים שנותנים צבע לפרטים אדומים גילה נוכחות של קרוטנואידים - פיגמנטים צמחיים. מהיכן קיבלו הכנימות גנים ייחודיים לאורגניזמים צמחיים? כיום, ריצוף הגנום של החרקים הוא עניין פשוט למדי עבור החוקרים. כך התגלה כי הגנים של הכנימות האחראים לסינתזה של פיגמנט אדום זהים לחלוטין לאלו של פטריות מסוימות שטפילות בגוף הכנימות מבלי לגרום נזק גלוי לעין.
ככל הנראה, בשחר התפתחות הכנימות (לפני כ-80 מיליון שנה) היה כשל במכונה הגנטית והגנים הפטרייתיים נבנו בגנום החרקים.
אבולוציה ומגוון ביולוגי
כל הסיסטמטיקה הפילוגנטית של העולם האורגני מבוססת על תפיסת ההתבדלות של דרווין. המהות שלה היא כדלקמן: ברגע שמתרחש בידוד רבייה בין אוכלוסיות של מין, אנו יכולים לדבר על תהליך של speciation. וכבר שני מינים ממשיכים להתפתח על סמך ברירה טבעית ומוטציות אקראיות.
הגילוי של העברת גנים אופקית בין מינים וטסים גדולים יותר רק הוכיח שבתקופת מרחב-זמן קצרה כל כך (4 מיליארד שנים), חומר חי על הפלנטה שלנו יכול לעבור מצורות חד-תאיות לרב-תאיות מאורגנות מאוד.
לפיכך, כל הביוטה של הפלנטה הופכת למעבדה אחת ליצירת תכונות תורשתיות חדשות, וזוהי התנועה האופקית של הגניםיכול וממשיך להאיץ משמעותית את התהליך האבולוציוני.
בואו נשאול כמה גנים
בשנת 2015, הגנטיקאי אליסטר קריספ מקיימברידג' (בריטניה) חקר את הגנום של 12 מינים של זבובי פירות תסיסנית, 4 מינים של תולעים עגולות ו-10 מינים של פרימטים (אחד מהם הוא אדם). המדען חיפש קטעים "חייזרים" של DNA.
תוצאות מחקר אישרו את נוכחותם של 145 אזורים בגנום שהם תוצאה של העברת גנים אופקית באיקריוטים.
חלק מהגנים הללו מעורבים בחילוף החומרים של חלבונים ושומנים, והשני - בתגובות חיסוניות. והכי חשוב, ניתן היה לזהות תורמים סבירים של גנים אלה. התברר שהם פרוטיסטים (האאוקריוטים הפשוטים ביותר), חיידקים (פרוקריוטים) ופטריות.
מה איתנו
כבר ידוע באופן אמין שבאמצעות העברת גנים אופקית בבני אדם, הופיעו הגנים האחראים לסוגי הדם AB0.
רוב העדויות להעברת גנים כזו בפרימטים הן ממקור קדום מאוד, שראשיתו לאב קדמון משותף עם קורדטים אחרים.
לפי מחקרים עדכניים, היווצרות השליה בבני אדם אחראית גם לגן של הנגיף, שנלכד אי שם עם שחר היווצרות חיות השליה.
תוצאות הרצף של הגנום האנושי הראו שהוא מכיל כ-8% מחתיכות של גנומים נגיפיים, הנקראים "גנים ישנים".
The Age of Mutants
הגענונושא סיפורי האימה שאיתם מפחידים פעילים ירוקים. מה אם הגנים ה"ישנים" האלה ידלקו? או שקרציה נושכת אדם ומושכת סוג של זוועה לתוך הגנום שלו? או שאנחנו אוכלים פולי סויה מהונדסים גנטית והופכים למוטנטים? אבל אחרי הכל, במשך 4 מיליארד שנים, המגוון הביולוגי על הפלנטה רק גדל, ואתה ואני עדיין קצת כמו לווייתנים, כמו כנימות הן כמו פטריות. למה זה?
ראשית, מנגנון ההעברה האופקית קיים בטבע כל עוד החיים עצמם קיימים. ובדוגמה של כנימות, ברור לחלוטין שהעברת גנים כזו נועדה בדיוק להגביר את יכולת ההסתגלות של אורגניזמים לתנאי הסביבה (אדומים פחות נראים בחלקים מסוימים של צמחים). ומהנדסים גנטיים במובן הזה לא העלו שום דבר חדש. לעגבניות עם גנים של דגים ארקטיים יש סבילות מוגברת לקור, מה שמאפשר לגדל אותן באזורים צפוניים.
שנית, למרות האפשרות של העברה גנטית, עדיין לא צפינו באיחוד (אחידות) של הגנום של כל האורגניזמים החיים על הפלנטה. היציבות של המערכת הביולוגית, שהיא התא והאורגניזם, גבוהה מספיק כדי להגביל העברת גנים לא יעילה. אך יחד עם זאת, העברה זו היא הכלי של האבולוציה הביולוגית, המובילה למגוון ביולוגי. אז לא יעבור זמן רב עד שדובים ייראו כמו עפיפונים וכלבים ייראו כמו זיקיות.
