Kaikilla eläimillä, kasveilla, sienillä ja protisteilla – jotka yhdessä muodostavat eukaryootiksi kutsutun elämänalueen – on genomeja, joilla on erikoinen piirre, joka on hämmentänyt tutkijoita lähes puoli vuosisataa: niiden geenit ovat pirstoutuneita.

Heidän DNA:ssaan tietoa proteiinien valmistamisesta ei ole asetettu pitkiin koherenteihin emässarjoihin. Sen sijaan geenit jaetaan segmenteiksi, joissa on välissä olevia sekvenssejä tai "introneja", jotka erottavat proteiinin bittejä koodaavat eksonit. Kun eukaryootit ilmentävät geenejään, niiden solujen on silmukoitava RNA pois introneista ja ommeltava yhteen RNA eksoneista rekonstruoidakseen proteiiniensa reseptit.

Mysteeri siitä, miksi eukaryootit luottavat tähän barokkijärjestelmään, syveni, kun havaittiin, että eukaryoottisen sukupuun eri oksat vaihtelivat suuresti introniensa runsaudessa. Esimerkiksi hiivan geeneissä on hyvin vähän introneja, mutta maakasvien geeneissä paljon. Intronit muodostavat lähes 25 % ihmisen DNA:sta. Kuinka tämä valtava, arvoituksellinen vaihtelu intronitaajuudessa kehittyi, on herättänyt keskustelua tiedemiesten keskuudessa vuosikymmeniä.

Vastauksia saattaa kuitenkin vihdoin löytyä viimeaikaisista tutkimuksista geneettisistä elementeistä, joita kutsutaan intronereiksi ja joita jotkut tutkijat pitävät eräänlaisena genomisen loisena. Nämä DNA-palat voivat liukua genomeihin ja lisääntyä siellä jättäen taakseen runsaasti introneja. Viime marraskuussa tutkijat esittivät todisteita siitä, että intronerit ovat tehneet tätä erilaisissa eukaryooteissa koko evoluution ajan. Lisäksi he osoittivat, että intronerit pystyivät selittämään, miksi intronien räjähdysmäiset lisäykset näyttävät olleen erityisen yleisiä vesieliöissä.

Heidän havaintonsa "saattavat selittää suurimman osan intronivahvistuksesta", sanoi Russ Corbett-Detig, uuden paperin vanhempi kirjoittaja ja evoluution genomiikan tutkija Kalifornian yliopistossa Santa Cruzissa.

Eukaryoottisten genomien palapeli

DNA:taan pilkkovien intronien vuoksi, jos eukaryoottien geenit muunnetaan suoraan proteiineihin, tuloksena olevat molekyylit olisivat tyypillisesti toimimattomia roskia. Tästä syystä kaikki eukaryoottisolut on varustettu erityisillä geneettisillä leikkurilla, joita kutsutaan spliceosomeiksi. Nämä proteiinikompleksit tunnistavat erottavat sekvenssit, jotka reunustavat intronin RNA:ta ja poistavat sen aktiivisten geenien alustavista RNA-transkripteistä. Sitten ne silmukoivat yhteen koodaavat segmentit eksoneista tuottamaan lähetti-RNA:ta, joka voidaan kääntää toimivaksi proteiiniksi.

(Myös muutamilla prokaryootilla on introneja, mutta niillä on tapoja kiertää niitä, joihin ei liity silmukointiosomeja. Esimerkiksi jotkut niiden introneista ovat "itsesilmukoituvia" ja poistavat itsensä automaattisesti RNA:sta.)

Ei tiedetä, miksi eukaryoottien luonnollinen valinta suosi introneita, jotka piti poistaa silmukointiosomien avulla. Mutta avain saattaa olla, että tällaiset intronit mahdollistavat vaihtoehtoisen silmukoinnin, ilmiön, joka lisää dramaattisesti yhdestä geenistä syntyvien tuotteiden monimuotoisuutta. Kun intronin RNA leikataan pois, eksonin RNA-sekvenssit voidaan yhdistää uuteen järjestykseen, jotta saadaan hieman erilaisia ​​proteiineja, Corbett-Detig selitti.

Huolimatta intronien vaikutuksesta eukaryoottisten organismien biologiaan ja geneettiseen monimutkaisuuteen, niiden evoluutionaalinen alkuperä on pysynyt hämäränä. Sen jälkeen kun intronit löydettiin vuonna 1977, tutkijat ovat kehittäneet lukuisia teorioita siitä, mistä nämä tunkeutuvat sekvenssit ovat peräisin. Useita mekanismeja, jotka voivat luoda introneita, on tunnistettu, ja ne kaikki ovat saattaneet tuoda joitain introneja eukaryooteihin. Mutta on ollut vaikea sanoa, mikä jos joku niistä voisi selittää, mistä suurin osa introneista tuli.

Lisäksi mysteeri intronien alkuperästä vain syvenee sen äärimmäisen vaihtelun valossa, missä introneilla on taipumus ilmaantua koko eukaryootin elämänpuussa. Jotkut sukulinjat ovat erityisen raskaita niiden kanssa tavoilla, jotka viittaavat äkillisiin intronien tulvimiseen niiden evoluutiohistorian aikana. Kun tutkit elämänpuuta ja kuinka monta intronia löytyy jokaisesta puun kärjestä, Corbett-Detig sanoi: "Voit ymmärtää melko nopeasti, että on oltava tiettyjä oksia, joissa absoluuttinen tonni introneja kehittyi kerralla."

Yksi mahdollinen selitys noille intronien räjähtäville infuusioille liittyy epätavalliseen geneettiseen elementtiin, joka tunnetaan nimellä introner. Kuvattiin ensimmäisen kerran vuonna 2009 yksisoluisissa viherlevissä Micromonas, intronereita on sittemmin ilmaantunut joidenkin muiden levien, joidenkin sienilajien, pienten meren eliöiden, joita kutsutaan dinoflagellaateiksi, ja yksinkertaisten selkärangattomien, joita kutsutaan vaippaeläimiksi, genomiin.

Intronerien erottuva piirre on, että he luovat introneja. Intronerit kopioivat ja liittävät itsensä koodaavan DNA:n osuuksiin, jotka tarjoavat sopivan silmukointikohdan. Sitten he jatkavat, jättäen jälkeensä spesifisen intronisekvenssin, jota reunustavat silmukointikohdat, mikä jakaa koodaavan DNA:n kahdeksi eksoniksi. Tämä prosessi voidaan toistaa massiivisessa mittakaavassa koko genomissa. Esimerkiksi sienissä intronit näyttävät aiheuttavan suurimman osan intronien kasvusta ainakin viimeisen 100,000 XNUMX vuoden aikana.

Kuinka intronerit saavuttavat tämän, tuli selvemmäksi vuonna 2016, kun tutkijat havaitsivat, että kahden levälajin intronereilla oli vahvaa yhtäläisyyttä DNA-transposonien kanssa, jotka ovat suuremman geneettisten elementtien perheen jäseniä, joita kutsutaan transponoitaviksi elementeiksi tai "hyppygeeneiksi". Transposonit myös lisäävät valtavia määriä kopioita itsestään genomiin.

Intronerien ja transposonien väliset yhtäläisyydet ehdottivat vahvasti mahdollista vastausta mysteeriin, mistä useimmat intronit olivat peräisin. Intronerit voivat saada introneja purkautumaan genomeissa suuria määriä, mikä saattaa selittää niiden syntymisen eri eukaryooteissa. Saalis oli, että intronereita tiedettiin olevan vain muutamissa organismeissa.

"Katsoiko kukaan muualta?" kysyi Landen Gozashti, joka tutki evoluution genomiikkaa Santa Cruzissa lukiessaan vuoden 2016 levätutkimuksen. Katsaus tieteelliseen kirjallisuuteen osoitti, että mikään ryhmä ei ollut julkaissut tietoja intronereista muualla eukaryoottien joukossa. Gozashti, nyt Harvardin yliopistossa, Corbett-Detig ja heidän kollegansa pyrkivät korjaamaan tämän.

Salaperäisiä, runsaita hyökkääjiä

Tiimi skannasi systemaattisesti yli 3,300 XNUMX genomia eukaryoottisen monimuotoisuuden koko leveydeltä – kaikkea lampaista sekvoioihin ja ripsikäisiin protisteihin. He käyttivät useita laskennallisia suodattimia potentiaalisten intronerien tunnistamiseen, etsivät introneja, joilla oli hyvin samankaltaisia ​​sekvenssejä, ja karkoittivat vääriä positiivisia tuloksia. Lopulta he löysivät tuhansia introneja peräisin 175 genomin intronereista, noin 5 % kaikista genomista, 48 eri lajista.

Viisi prosenttia saattaa tuntua pieneltä palalta eukaryoottista piirakkaa. Mutta kun mutaatiot kerääntyvät intronereihin ajan myötä, kopioiden väliset sekvenssien yhtäläisyydet heikkenevät, kunnes ei ole enää mahdollista sanoa, että ne ovat peräisin samasta lähteestä. Monien nykyään elävien lajien evoluutiolinjat ovat saaneet kokea intronien tulvia, mutta yli muutama miljoona vuotta sitten tapahtuvaa tulvaa ei voida havaita. 5 prosentin tulos viittaa siis siihen, että intronereita voi olla paljon kaikkialla.

Genomisina loisina intronerit ovat saattaneet saavuttaa menestyksensä salakavalan avulla. Hyvä loinen ei voi kiinnittää liikaa huomiota itseensä. Jos introneri häiritsee sen geenin toimintaa, johon se on upottautunut, se voi vahingoittaa isäntäorganismia ja luonnonvalinta voi poistaa genomisen loisen kokonaan. Joten nämä elementit kehittyvät jatkuvasti olemaan "mahdollisimman neutraaleja" vaikutukseltaan, sanoi Valentina Peona, vertaileva genomitieteilijä Uppsalan yliopistosta.

Gozashti, Corbett-Detig ja heidän kollegansa selvittivät, kuinka taitavia intronereita liukastumassa tutkan alle he arvioivat intronerien silmukointitehokkuutta, mikä kuvastaa heidän kykyään välttää isäntägeenien toiminnan häiriöitä. "Intronerit ovat itse asiassa sidoksissa paremmin kuin muut intronit", Gozashti sanoi. "Näistä asioista on tullut todella hyviä."

Aquatic Connection

Gozashtin ja hänen kollegoidensa työ osoitti, että intronerit eivät ole jakautuneet tasaisesti eukaryoottien kesken. Esimerkiksi intronereita esiintyy yli kuusi kertaa todennäköisemmin vesieliöiden genomissa kuin maalla elävien organismien genomissa. Lisäksi lähes kolme neljäsosaa intronereita sisältävien vesieläinten genomeista isännöi useita intronereita.

Corbett-Detig, Gozashti ja heidän kollegansa uskovat, että tämä malli voidaan selittää horisontaalisella geeninsiirrolla, geneettisen sekvenssin siirrolla lajista toiseen. Nämä epätavalliset geenisiirrot tapahtuvat yleensä vesiympäristöissä tai tapauksissa, joissa lajien välinen läheinen yhteys, kuten isäntien ja loisten välillä, selitetään. Saima Shahid, kasvibiologi Oklahoma State Universityssä.

Vesiympäristöt voivat edistää horisontaalista geeninsiirtoa koska vesipitoisesta väliaineesta voi tulla lukemattomien lajien erittämien nukleiinihappojen keitto. Yksisoluiset organismit melovat tässä muhennososassa, joten niiden on helppo ottaa vastaan ​​vieraita DNA:ta, joka saattaa liittyä omaan DNA:han. Mutta jopa paljon monimutkaisemmat monisoluiset lajit munivat munansa tai hedelmöittävät ne veteen, mikä luo mahdollisuuksia DNA:n siirtymiselle heidän sukulinjaansa.

Clément GilbertParis-Saclay-yliopiston evoluutiogenomitisti uskoo, että intronereiden vesielimistö on kaiku siitä, mitä hänen ryhmänsä löysi horisontaalisista geeninsiirtotapahtumista. Vuonna 2020 heidän työnsä paljasti lähes 1,000 300 erillistä horisontaalista siirtoa, joihin liittyi transposoneja, joita oli tapahtunut yli XNUMX selkärankaisen genomissa. Suurin osa näistä siirroista tapahtui teleost-kaloissa, Gilbert sanoi.

Jos intronerit löytävät tiensä isäntiin ensisijaisesti horisontaalisten geeninsiirtojen kautta vesiympäristössä, se voisi selittää eukaryoottien suurten intronien lisääntymisen epäsäännölliset mallit. Maaorganismeissa ei todennäköisesti ole samoja intronipurskeita, Corbett-Detig sanoi, koska horisontaalista siirtoa tapahtuu paljon harvemmin niiden keskuudessa. Siirretyt intronit voivat säilyä genomeissa miljoonia vuosia pysyvinä matkamuistoina meren esi-isien elämästä ja kohtalokkaana harjana taitavan genomisen loisen kanssa.

Intronerit, jotka toimivat vieraina, invasiivisina elementteinä genomissa, voivat myös olla selitys sille, miksi he lisäsivät introneja niin äkillisesti ja räjähdysmäisesti. Puolustusmekanismit, joita genomi saattaa käyttää tukahduttamaan perinnöllistä transposonitaakkaa, eivät välttämättä toimi vieraalla geneettisellä elementillä, joka saapuu horisontaalisen siirron kautta.

"Nyt se elementti voi mennä hulluksi koko genomissa", Gozashti sanoi. Vaikka intronerit ovat alun perin haitallisia, tutkijat olettavat, että selektiiviset paineet voivat pian kesyttää heidät leikkaamalla ne pois RNA:sta.

Vaikka horisontaalisilla geenisiirroilla ja intronereilla on yhteinen yhteys vesiympäristöön, löydökset eivät vielä osoita lopullisesti, että intronerit ovat peräisin täältä. Mutta intronerien laajalle levinneen vaikutuksen löytäminen haastaa jotkin teoriat siitä, kuinka genomit - erityisesti eukaryoottigenomit - ovat kehittyneet.

Kaikuja isännässä

Äskettäisen intronin lisääntymisen leviäminen voi toimia vastapainona joillekin genomisen monimutkaisuuden kehittymistä koskeville ideoille. Yksi esimerkki sisältää intronien evoluution teorian, jonka on kehittänyt Michael Lynch Arizona State Universityn vuonna 2002. Mallit viittaavat siihen, että lajeissa, joilla on pieni pesimäpopulaatio, luonnollinen valinta voi olla vähemmän tehokas poistamaan hyödyttömiä geenejä. Lynch ehdotti, että nämä lajit pyrkivät keräämään genomiinsa kasoista toimimatonta geneettistä roskaa. Sitä vastoin lajeilla, joilla on erittäin suuri pesimäkanta, ei pitäisi saada paljon introneja.

Mutta Gozashti, Corbett-Detig ja heidän kirjoittajansa huomasivat päinvastaisen. Joillakin meriprotisteilla, joilla oli valtava pesimäpopulaatio, oli satoja tai tuhansia intronereita. Sitä vastoin intronerit olivat harvinaisia ​​eläimissä ja poissa maakasveista – molemmilla ryhmillä oli paljon pienempi pesimäpopulaatio.

Hyökkäävien geneettisten elementtien ja isännän välinen evoluutionaarinen kilpavarustelu voi vaikuttaa monimutkaisemman genomin luomiseen. Loiselementit ovat "jatkuvassa ristiriidassa" isännälle kuuluvien geneettisten elementtien kanssa, Gozashti selitti, koska ne kilpailevat genomisesta tilasta. "Kaikki nämä liikkuvat kappaleet ajavat jatkuvasti toisiaan kehittymään", hän sanoi.

Tämä herättää kysymyksen siitä, mitä intronivoitot tarkoittivat niiden organismien toiminnalliselle biologialle, jossa ne esiintyivät.

Cedric Feschotte, Cornellin yliopiston molekyylibiologi, epäilee, että olisi mielenkiintoista verrata kahta läheistä sukua olevaa lajia, joista vain toinen on kokenut introniparven viimeaikaisessa evoluutiohistoriassa. Vertailu saattaa auttaa paljastamaan, kuinka intronivirrat voivat edistää uusien geenien ilmaantumista. "Koska tiedämme, että intronien tuominen voi myös helpottaa ylimääräisten eksonien sieppaamista - niin täysin uutta", hän sanoi.

Samoin Feschotte ajattelee, että intronien runsaus voi auttaa ohjaamaan geeniperheiden kehitystä, jotka voivat muuttua nopeasti. Uusilla introneilla täytetyt geenit voisivat ottaa käyttöön vaihtoehtoisen silmukoinnin mahdollistaman uuden vaihtelun.

Tällaiset nopeasti kehittyvät geenit ovat laajalle levinneitä luonnossa. Esimerkiksi myrkylliset lajit joutuvat usein sekoittamaan myrkyissään olevat peptidien monimutkaiset cocktailit geneettisellä tasolla sopeutuakseen erilaisiin saaliseläimiin tai saalistajiin. Immuunijärjestelmän kyky tuottaa loputtomasti erilaisia ​​molekyylireseptoreita riippuu myös geeneistä, jotka voivat järjestyä uudelleen ja yhdistyä nopeasti.

Peona kuitenkin varoittaa, että vaikka intronerit voisivat tarjota etuja organismille, ne voivat myös olla täysin neutraaleja. Heitä tulisi pitää "syyttöminä, kunnes heidän on todistettu syyllisiksi toimiin tai mihin tahansa muuhun".

"Yksi seuraavista asioista on metagenomisen datan tarkasteleminen ja yrittää löytää tapaus, joka todella on selkeä horisontaalinen siirto, jossa on täsmälleen samat intronerit kahdessa eri lajissa", Corbett-Detig sanoi. Tämän palapelin löytäminen auttaisi selventämään koko tarinaa siitä, mistä useimmat eukaryoottien intronit ovat peräisin.

Irina Arkhipova, Chicagon yliopiston meribiologisen laboratorion molekyylievoluutiogeneetikko, on kiinnostunut tietämään enemmän siitä, kuinka intronerit leviävät genomin läpi niin suurissa mittakaavassa. "Se vain ei jätä jälkeäkään entsyymistä, joka oli vastuussa tästä massiivisesta liikkuvuudesta - se on mysteeri", hän sanoi. "Sinun on periaatteessa saatava se kiinni, kun se vielä liikkuu."

Gozashtille intronereiden löytäminen niin laajasta eukaryoottien joukosta sisältää oppitunnin siitä, kuinka lähestyä peruskysymyksiä eukaryoottisen elämän luonteesta: Ajattele laajasti. Tutkimukset keskittyvät usein biologisen monimuotoisuuden sirpaleen, jota edustavat eläimet ja maakasvit. Mutta ymmärtääksemme tärkeitä genomisen informaation malleja, jotka ovat kaiken elämän taustalla, "meidän täytyy sekvensoida enemmän eukaryoottista monimuotoisuutta, enemmän näitä protistisukuja, joissa emme tiedä mitään niiden kehittymisestä", hän sanoi. "Jos olisimme juuri tutkineet maan kasveja ja eläimiä, emme olisi koskaan löytäneet intronereita."

Toimittajan huomautus: Gozashti on jatko-opiskelija Hopi Hoekstran laboratoriossa, joka toimii neuvottelukunnassa Quanta.