Luonnon oma GMO eli DNA goes retro II

27.3.2013

”Perinnöllisen dna:n siirtyminen lajista toiseen on luonnotonta”? Ei ole. Esimerkiksi bakteereilla dna:n siirtyminen lajista toiseen siirtyminen on arkipäivää. Antibiootille vastustuskykyinen bakteeri voi syntyä, kun yksi laji nappaa toiselta lajilta dna:ta, jossa on sopiva geeni.

Dna:n siirtymistä lajista toiseen tapahtuu monisoluisilla eläimilläkin. Uuden tutkimuksen mukaan neljäsosa (!) lehmän ja muiden märehtijöiden perimästä saattaa olla alunperin lähtöisin käärmeiden dna:sta (Walsh ym. 2013).

Samaa dna:ta käärmeessä, lehmässä, pussiliito-oravassa, tamaanissa, vesinokkaeläimessä ja...? Kuva: Walsh ym. 2013. Huomaa pieni huolimattomuus: tutkijoiden omia koodeja on unohtunut joihinkin oksan haaroihin (BovB_ACo, RTE1X_SP...).

Samaa dna:ta käärmeessä, lehmässä, pussiliito-oravassa, tamaanissa, vesinokkaeläimessä ja…? Kuva: Walsh ym. 2013 (pieni moka kuvassa, tutkijoiden omia koodeja on unohtunut joidenkin lajinimien eteen).

Samanlaisen dna:n löytyminen käärmeistä ja lehmistä ei tarkoita, että käärmeen omia geenejä tai mitään muita käärmeille tarpeellisia dna:n osia olisi tässä tapauksessa siirtynyt lehmään, tai päinvastoin. Itse asiassa, käärmeet sen paremmin kuin lehmätkään eivät tee tällä dna:lla yhtään mitään.

Mitä kummaa dna:ta sitten on siirtynyt käärmeestä lehmään? Mitä on siirtynyt nahkiaisesta kaloihin, joissa nahkiainen loisii (Kuraku ym. 2012)? Mikä on space invader -avaruushyökkääjä, jonka kopioita on oudosti puoliapinoiden, jyrsijöiden, lepakoiden, tanrekkien, pussieläinten, liskojen ja sammakoiden perimässä (Pace ym. 2008)?

Näissä invaasioissa on kyse ”itsekkäästä” dna:sta, transposoneista, dna:n palasista, jotka yleensä kopioituvat dna:ssa lajin sisäisesti, mutta onnistuvat joskus loikkaamaan eliölajista toiseen.

Käärmeelle ja lehmälle yhteinen transposoni on tarkemmin sanottuna retrotransposoni tai lyhyemmin retroelementti. Retroelementit kopioituvat rna-välivaiheen kautta. Ilmeisesti tämä rna voi siirtyä lajista toiseen kun esimerkiksi punkki puree ensin käärmettä ja sitten lehmää, tai kun nahkiainen pureutuu kalaan.

Eläinten perimässä on geenejä, joiden avulla rna kopioituu takaisin dna:ksi ja voi tulla liitetyksi mukaan seuraaviin sukupolveen periytyvään dna:han. Kyseiset geenit puolestaan ovat eläimen perimään jo aiemmin pesäpaikkansa tehneiden retroelementtien geenejä.

Kun retroelementin dna on hypännyt lajista toiseen, se voi alkaa kopioutua uudessa ympäristössään – tai sitten ei. Ihan mitä tahansa perimän dna:ta ei tietenkään käännetä rna:ksi, vaan kääntäminen vaatii oikeanlaiset tunnistus- ja säätelyjaksot ympärilleen.

Walsh ym. (2013) löysivät geenipankkia seuloessaan BovB-nimisiä retroelementtejä oudosti jakaantuneena eläinryhmiin, jotka eivät ole toisilleen erityisen läheistä sukua: käärmeistä, liskoista, pussieläimistä, nokkaeläimistä, norsuista ja sen sukulaisista ja hevosista.  Joissain eläinryhmissä nämä retroelementit ovat älyttömän yleisiä ja joissain harvinaisia.

Nerokas veto oli tutkia, löytyisikö kyseisiä retroelementtejä punkeista, jotka purevat sekä matelijoita, että nisäkkäitä ja voisivat näin toimia välittäjinä elementtien hypätessä lajista toisiin – ja löytyihän niitä myös punkeista.

Kaunista; hullun lailla kopioituvaa geenipätkää on siellä täällä eläinryhmissä, jotka eivät ole toisilleen sukua ja samaa geenipätkää on myös punkeilla, jotka purevat näitä eläimiä.

Tapaus selvitetty? Ei ihan, sellainen kauneusvirhe teoriassa on, että retroelementtejä löytyi vähän turhankin laajasti eläinkunnasta, myös lajeilta, joita on aika vaikea linkittää punkinpuremateoriaan: merisiilien ja silkkiperhosen perimässäkin näyttäisi olevan BovB-elementtejä. Mitä pirua ne siellä tekevät?

Snake and ticks - käärme ja punkkeja

Amblyomma-suvun punkkeja tunkemassa pytonin suomujen alle. Kuva © Eric Vanderduys 2012. Julkaistu kuvaajan luvalla.

Miksi sitten BovB-retroelementti on lähtenyt kopioitumaan hullun lailla märehtijöissä ja suomumatelijoissa, mutta ei muissa eläinryhmissä, joissa sitä kuitenkin todistettavasti on. Tähän tutkijoilla ei ole hypoteesia. Minulla on!

Hypoteesiini liittyvät lyhyet retroelementit, märehtijöiden BovA-sukuiset ja matelijoiden CR1 sinet. Nyt juttu menee kuitenkin jo sen verran tekniseksi ja yksityiskohtaiseksi, että taitaa olla laittaa aiheen tarkempi märehtiminen kommentteihin  jonkun tosi innostuneen genetiikkanörtin löydettäväksi (voisi muutan olla ihan julkaisukelpoista kamaa edelleen tämä…).

Viitteet:

Kolkkala, M. 2000: Retroposonit märehtijöiden perimässä. Pro gradu. Helsingin yliopisto. Yritin lyödä läpi retrotransposonille vähän lyhyempää nimeä retroposoni. Termiä ”retroposon” käytettiin joissain vanhoissa artikkeleissakin, tosin vähän kirjavassa merkityksessä. Mutta mihinkä se ehdotus yhdestä gradusta etenisi, olisi pitänyt jaksaa tehdä oma tieteellinen artikkeli.

Kuraku, S. Qiu, H ja Meyer, A. 2012: Horizontal transfers of Tc1 elements between teleost fishes and their vertebrate parasites, lampreys. Genome Biol. Evol. 4: 929-936

Pace, J. K., Gilbert, C., Clark, M. S. ja Feschotte, C. 2008: Repeated horizontal transfer of a DNA transposon in mammals and other tetrapods. Proc. Natl. Acad. Sci. 105: 17023-17028

Walsh, A. M., Kortschak, R. D., Gardner, M. G., Bertozzi, T. ja Adelson, D. L. 2013: Widespread horizontal transfer of retrotransposons. Proc. Natl. Acad. Sci. 110: 1012-1016

Mainokset

Missä pallokalat ovat parempia kuin me? (DNA goes retro I)

25.3.2013
Pantteripallokala Tetraodon nigroviridis

Pantteripallokala. Pallokalat ovat saaneet siivottua dna:nsa roskasta. (Kuva: Wikipedia)

Dna, elämän molekyyli, resepti uudelle eliölle; koodi, joka on kopiotunut sukupolvien ketjussa miljardeja vuosia; koodi, joka on täynnä suunnattoman tärkeää tietoa… No, oikeastaan ei ihan täynnä. Jos nyt ihan totta puhutaan, niin suurin osa dna:sta on ihan roskaa, jonninjoutavaa tilke-dna:ta muutaman hassun kymmenen tuhannen tärkeän kohdan ympärillä.

Ihmisenkin perimän dna:sta voisi leikata pois valtavia palasia ilman, että mitään tärkeää menetettäisiin. Leikkaamisen voisi aloittaa retroelementeiksi kutsutusta dna:sta. Retroelementit karsimalla kolmen miljardin palasen dna virtaviivaistuisi heti alle kahteen miljardiin.

Dna:n ohjeilla syntyy rna. Rna:n ohjeilla syntyy proteiini. Proteiineilla elämä toimii ja proteiineista elämä rakentuu. Näinhän se menee.

Paitsi että – käänteinen reittikin on mahdollinen: rna:n ohjeilla syntyy dna. Ihmisenkin dna:ssa on valmistusohjeita (geenejä) proteiinille, joka tekee juuri tätä – kääntää rna-tiedon takaisin dna:ksi. Ketjureaktio on mahdollinen, jos dna-palanen palaa kotiin: liittyy takaisin perimän pitkään dna-ketjuun rna-välivaiheen jälkeen – ja sitähän tapahtuu!

Käänteiskopiointia tekevän proteiinin geeni on yleisin geeni ihmisen perimässä. Suuri osa näistä geeneistä on rikki, mutta aika moni toimiikin. Voisi luulla että kyseinen geeni on ihmiselle tärkeä. Ihminen ei kuitenkaan tee käänteiskopioinnin geenillä mitään – retroelementit tekevät. Retroelementit aivan kuin omaa elämäänsä perimän dna:n sisällä, vaikka ne ovat itsekin pelkkiä pieniä dna-molekyylin palasia.

Retroelementtejä on eri tyyppisiä. Osa retroelementeistä on hyvin lyhyitä, niihin ei mahdu geenejä eikä oikein mitään muutakaan. Niissä on kuitenkin tunnistusjakso, niin että solun normaalit proteiinit voivat tehdä elementeistä rna-kopion. Kopiointiin takaisin dna:ksi lyhyet retroelementit lainaavat työkaluksi pidempien retroelementtien ohjeilla valmistettuja proteiineja.

Selkärankaisten perimän dna:sta tyypillisesti kolmasosa tai jopa puolet on retroelementtihölynpölyä. Poikkeuksiakin on, esimerkiksi pallokalojen perimä on tosi lyhyt ja kompakti. Ennätys on pantteripallokalalla (Tetraodon nigroviridis), jonka koko dna:ssa on vain 340 miljoonaa palasta (Jaillon ym. 2004) – esimerkiksi seeprakalan perimä on viisi kertaa isompi kuin pantteripallokalan. Mitään järkevää syytä, miksi seeprakala tarvitsisi paljon enemmän dna:ta kuin pallokala ei ole.

Ei mitään roska-dna-ruokaa - annos fugua

Ei mitään roska-dna-ruokaa… pallokalan lihasta valmistettu annos fugua (kuva: Wikipedia)

Pallokalat ovat ilmeisesti jotenkin saaneet pidettyä dna:nsa roskan määrän kurissa paremmin kuin muut selkärankaiset. Pallokalojen perimäkään ei silti ole aivan vapaa retroelementeistä. Itse asiassa pantteripallokalalta retroelementtejä on löydetty peräti 43 erilaista (Fischer ym. 2005). Juju on siinä, että elementtien kopioiden lukumäärät ovat pysyneet pieninä. Ehkä pallokalojenkin suojaus joskus taas pettää ja retroelementit pääsevät monistumaan riesaksi asti niiden perimässä.

Onko retroelementeistä haittaa? On tietysti. Jos retroelementti palaa dna:han keskelle geeniä tai jotain tärkeää säätelyjaksoa, jotain olennaista menee rikki ja haitta on ilmeinen. Luonnonvalinta voi toimia ja karsia tällaisen muutoksen. Jos retroelementti osuu dna:ssa kohtaan, jolla ei ole mitään virkaa (ja sellaisia kohtiahan on paljon), haitta on olemassa, mutta käytännössä merkityksetön: muutama sata dna:n osasta kopioitavaksi entisten satojen miljoonien tai miljardien lisäksi. Luonnonvalinta on liian heikko pysyäkseen vauhdilla kopioituvien retroelementtien tahdissa, retroelementit ehtivät kopioitua kymmeniä- tai satojatuhansia kertoja ennen kuin niistä alkaa olla todellista haittaa.

Onko retroelementeistä hyötyä? On. Ylimääräinen dna ei ole pelkkä haitta. Se antaa myös pelivaraa ja joustavuutta perimään. Perimän dna-palikoita voi silloin sekoitella, monistaa, käännellä ja yhdistellä vapaammin pelkäämättä, että jotain tärkeää menee rikki. Retroelementtien invaasion sanominen hyödylliseksi on kuitenkin vähän jälkiviisautta. Luonnonvalinta toimii tässä ja nyt, sillä ei voi olla pitkän tähtäimen suunnitelmia tyyliin: ”antaa nyt tämän joutavan dna-pätkän monistua hullun lailla siltä varalta, että muutaman miljoonan vuoden päästä tapahtuu jotain hyödyllistä”.

Viitteet:
Fischer, C., Bouneau, L., Coutanceau, J. P., Weissenbach, J., Ozouf-Costaz, C. ja Volff, J. N. 2005: Diversity and clustered distribution of retrotransposable elements in the compact genome of the pufferfish Tetraodon nigroviridis. Cytogenet. Genome Res. 110: 522-536. En ole nähnyt tästä kuin abstraktin. Olisin iloinen, jos joku lähettäisi pdf:n koko artikkelista.

Jaillon, O., Aury, J. M., Brunet, F., Petit, J. L., Stange-Thomann, N., Mauceli, E., Bouneau, L., Fischer, C., Ozouf-Costaz, C., Bernot, A. ym. (61 kirjoittajaa) 2004: Genome duplication in the teleost fish Tetraodon nigroviridis reveals the early vertebrate proto-karyotype. Nature 431: 946–957.

-Kolkkala, M. – luotiset.wordpress.com

Gallup: