Αρχαίοι ιοί άφησαν πίσω τους γονίδια που εξαπλώνονται ακόμα εκατομμύρια χρόνια αργότερα
Τα σκαθάρια είναι μεταξύ των εντόμων που σχετίζονται με τις ζύμες που ζουν στο ξύλο, οι οποίες ενδέχεται να ανταλλάσσουν αρχαία ιικά γονίδια όταν έρχονται σε επαφή. Από: Shutterstock.
Αρχαία γονίδια ιών μετακινήθηκαν μεταξύ ειδών ζύμης, πιθανώς με τη βοήθεια εντόμων, αποκαλύπτοντας έναν εκπληκτικό τρόπο λειτουργίας της εξέλιξης.
Τα γονίδια συνήθως μετακινούνται σε ένα γενεαλογικό δέντρο, από τους γονείς στους απογόνους τους.
Σε μια ομάδα ζυμομυκήτων που ζουν σε σάπιο ξύλο, μια δέσμη γονιδίων που άφησε πίσω ένας αρχαίος ιός έχει επίσης μετακινηθεί πλαγίως, από το ένα είδος στο άλλο.
Μια νέα γενετική μελέτη βρήκε στοιχεία για τουλάχιστον τρεις από αυτές τις διασταυρώσεις.
Από όσο γνωρίζουν οι ερευνητές, είναι η πρώτη τεκμηριωμένη περίπτωση μιας ολόκληρης ομάδας γονιδίων από έναν αρχαίο ιό RNA που μετακινείται μεταξύ ειδών.
Ο Ντέρεκ Τέιλορ, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Μπάφαλο , έκανε την εργασία με τον μεταπτυχιακό φοιτητή Ντόμινικ Τρινγκάλι.
Υποψιάζονται ότι τα ξυλοφάγα έντομα, τα οποία μεταφέρουν αυτές τις ζύμες στα έντερά τους και τις αφήνουν στα περιττώματά τους, έφεραν διαφορετικά είδη αρκετά κοντά ώστε να ανταλλάξουν DNA.
«Πρόκειται για ένα εξελικτικό πλάσμα, και τα ξυλοφάγα έντομα είχαν τα μέσα και την ευκαιρία», δήλωσε ο Taylor, καθηγητής στο Τμήμα Βιολογικών Επιστημών του πανεπιστημίου .
Όλα τα στοιχεία προήλθαν από το DNA. Η ομάδα συνέκρινε δημόσια διαθέσιμα γονιδιώματα από 18 είδη και στελέχη ζυμομυκήτων αντί να παρακολουθεί μια μεταφορά να συμβαίνει στο εργαστήριο.
Ένας ιός άφησε τέσσερα γονίδια
Τα γονίδια προέρχονται από έναν τοτιϊό, ένα είδος ιού που μολύνει μύκητες, συμπεριλαμβανομένων των ζυμομυκήτων. Μεταδίδεται κυρίως από τη μία γενιά κυττάρων στην επόμενη όταν ένα κύτταρο διαιρείται.
Οι τοτιϊοί φέρουν τα γονίδιά τους ως RNA και δεν έχουν ενσωματωμένο τρόπο να εγγράφονται στο DNA ενός ξενιστή, όπως κάνει ο HIV.
Ακόμα κι έτσι, ένα αντίγραφο ενός κατέληξε σε έναν πρόγονο αυτών των ζυμομυκήτων, οι οποίοι ανήκουν σε μια ομάδα που ονομάζεται Scheffersomyces.
Το πώς ακριβώς συνέβη αυτό δεν είναι γνωστό. Οι ερευνητές υποστηρίζουν ότι το ίδιο το κύτταρο ζύμης αντέγραψε το ιικό RNA σε DNA.
Ο Taylor και ένας συνάδελφός του περιέγραψαν για πρώτη φορά το σύμπλεγμα σε μια εργασία του 2009 , δουλεύοντας με μια ζύμη που ονομάζεται Scheffersomyces stipitis . Το σύμπλεγμα περιέχει τέσσερα γονίδια στη σειρά.
Ένα από αυτά φέρει και τα δύο κύρια μέρη του ιού, τις οδηγίες για το πρωτεϊνικό του κέλυφος και για το ένζυμο που αντιγράφει το RNA του.
Τα άλλα τρία είναι επιπλέον αντίγραφα μόνο του γονιδίου του κελύφους, που δημιουργήθηκαν αφού τα γονίδια του ιού ενώθηκαν με το DNA της ζύμης.
Η ομάδα ονόμασε το σύμπλεγμα STORM. Στους ζυμομύκητες όπου βρέθηκε για πρώτη φορά, κατέχει την ίδια θέση στο γονιδίωμα για τουλάχιστον 15 εκατομμύρια χρόνια. Μπορεί να είναι πολύ παλαιότερο.
Τα γονίδια διέσχισαν τις γραμμές των ειδών
Αν τα γονίδια μεταδίδονται μόνο από τον γονέα στους απογόνους, το γενεαλογικό τους δέντρο θα πρέπει να ταιριάζει με το γενεαλογικό δέντρο του είδους που τα μεταφέρει. Το δέντρο του STORM δεν το έκανε.
Σε δύο από τις διασταυρώσεις, το σύμπλεγμα σε μια ομάδα ζυμομυκήτων έμοιαζε περισσότερο με το σύμπλεγμα σε μια πιο μακρινή ομάδα. Οι βιολόγοι ονομάζουν αυτό το είδος πλευρικής κίνησης οριζόντια μεταφορά γονιδίων.
Είναι γνωστό μεταξύ των μικροβίων και έχει τεκμηριωθεί σε μύκητες, ακόμη και σε φυτά .
Για να δουν πόσο ασυνήθιστο ήταν το μοτίβο του STORM, η ομάδα δημιούργησε γενεαλογικά δέντρα για 3.527 άλλα γονίδια που μοιράζονται και οι 18 ζύμες. Κανένα από αυτά τα δέντρα δεν αναπαρήγαγε πλήρως κανένα από τα τρία μοτίβα STORM.
«Τώρα έχουμε αδιάσειστα στοιχεία ότι ένα ολόκληρο σύμπλεγμα τεσσάρων γονιδίων έχει ξεπεράσει τα όρια των ειδών», δήλωσε ο Taylor.
Η διασταύρωση μεταξύ ειδών θα μπορούσε καταρχήν να παράγει ένα παρόμοιο μοτίβο.
Αλλά θα χρειάστηκαν τουλάχιστον δύο ξεχωριστά επεισόδια και η ομάδα δεν βρήκε κανένα σημάδι ότι το DNA του είδους δότη είχε εξαπλωθεί ευρέως σε όλο το υπόλοιπο γονιδίωμα.
Η τρίτη διασταύρωση αντικατέστησε μόνο ένα μέρος της συστάδας. Σε ένα στέλεχος του S. stipitis , τα τρία πρώτα γονίδια αντικαταστάθηκαν με εκδόσεις που μοιάζουν περισσότερο με εκείνες ενός συγγενικού είδους, του Scheffersomyces segobiensis .
Το τέταρτο γονίδιο και το DNA εκατέρωθεν διατήρησαν την καταγωγή τους από S. stipitis .
Ένα γονίδιο που «πηδάει» άφησε ενδείξεις
Μία διάβαση άφησε πίσω της περισσότερα στοιχεία από τις άλλες.
Εκτός από το STORM σε μια ζύμη που ονομάζεται Scheffersomyces insectosa , η ομάδα βρήκε τα σπασμένα υπολείμματα ενός γονιδίου που «πηδάει» .
Αυτά τα τμήματα DNA, γνωστά ως τρανσποζόνια, μπορούν να μετακινηθούν από το ένα μέρος ενός γονιδιώματος στο άλλο.
Οι ερευνητές ονόμασαν αυτήν την οικογένεια τρανσποζονίων YEET, συντομογραφία του Yeast Endogenous Element Transposon.
Τα ερείπιά του κοντά στο STORM, και ένα σπασμένο γονίδιο ζύμης δίπλα τους, έμοιαζαν σαν να προέρχονταν από την ίδια ομάδα δοτών με το ίδιο το STORM.
«Επειδή το STORM και ένα γειτονικό γονίδιο που μεταπηδά παρουσιάζουν στοιχεία της ίδιας ασυνήθιστης εξελικτικής ιστορίας, υποψιαζόμαστε ότι το τρανσποζόνιο μπορεί να μετέφερε το STORM μεταξύ των ειδών ζύμης ως επιπλέον φορτίο», δήλωσε ο Tringali.
Τα τρανσποζόνια YEET φαίνεται να έχουν διασταυρωθεί μεταξύ αυτών των ζυμομυκήτων που σάπιζαν ξύλο μόνα τους, επίσης σε τουλάχιστον πέντε περιπτώσεις. Το πώς συνέβη η άλλη διασταύρωση πλήρους συστάδας παραμένει ασαφές.
Τα έντομα φέρνουν κοντά τις ζύμες
Οι ζυμομύκητες Scheffersomyces μοιράζονται τον ζωτικό χώρο σε σάπια κορμούς, σε περιττώματα εντόμων και μέσα στα έντερα ξυλοφάγων εντόμων.
Ένα είδος στην ομάδα, που περιγράφηκε ως νέο το 2025, απομονώθηκε από το τοίχωμα του κουκουλιού ενός σκαθαριού ελαφιού.
«Για να ανταλλάξετε γονιδιωματικό υλικό, πρέπει να βρίσκεστε στο ίδιο μέρος την ίδια στιγμή», είπε ο Taylor.
Οι συγγραφείς έγραψαν ότι αυτά τα κοινά σπίτια δίνουν σε διαφορετικές ζύμες την ευκαιρία να ανταλλάξουν DNA. Η επαφή από μόνη της, ωστόσο, δεν δείχνει πώς κινήθηκε στην πραγματικότητα το DNA.
Η STORM εξελίχθηκε ασυνήθιστα γρήγορα
Οι RNA ιοί αλλάζουν γρήγορα και τα γονίδια που δανείζονται από αυτούς αναμένεται γενικά να επιβραδυνθούν μόλις γίνουν μέρος του γονιδιώματος ενός ξενιστή. Η STORM ακολούθησε την αντίθετη κατεύθυνση.
Η ομάδα εκτίμησε ότι οι πρωτεΐνες του άλλαξαν περίπου 7 φορές πιο γρήγορα από εκείνες συγγενών ιών που εξακολουθούν να μολύνουν τα κύτταρα.
Ανάλογα με την ηλικία που υπέθεσαν οι ερευνητές ότι ήταν το σύμπλεγμα, η εκτίμηση κυμαινόταν από λίγο κάτω από έξι έως σχεδόν 9 φορές ταχύτερη.
«Αυτά τα γονίδια είχαν μια εξαιρετική εξελικτική μετά θάνατον ζωή», είπε ο Τρινγκάλι. «Πολύ καιρό μετά την εξαφάνιση του αρχικού ιού, τα γονίδιά του συνέχισαν να εξελίσσονται, να πολλαπλασιάζονται και να εξαπλώνονται μεταξύ των ειδών ζύμης».
Τα τέσσερα γονίδια δεν άλλαξαν όλα με τον ίδιο τρόπο. Το τέταρτο γονίδιο άλλαξε περισσότερο.
Οι δοκιμές έδειξαν ότι η φυσική επιλογή αποδυνάμωσε αυτό το γονίδιο και άφησε τις αλλαγές να συσσωρευτούν, αντί να ευνοήσει νέες εκδοχές του.
Ωστόσο, αυτό το γονίδιο διατήρησε ένα βασικό μέρος ενός από τα κόλπα του ιού. Συγγενείς ιοί ζύμης αφαιρούν το προστατευτικό χημικό κάλυμμα από το μπροστινό μέρος των μηνυμάτων RNA του κυττάρου και το χρησιμοποιούν μόνοι τους.
Το τέταρτο γονίδιο εξακολουθεί να φέρει τα αμινοξέα που σχηματίζουν την θήκη που συγκρατεί το κάλυμμα του ιού.
Η επιλογή στο πρώτο γονίδιο έγινε ισχυρότερη, σε σύγκριση με το δεύτερο και το τρίτο.
Οι υπολογιστικές προβλέψεις για τα σχήματα των πρωτεϊνών υποδηλώνουν ότι και τα τέσσερα γονίδια εξακολουθούν να φέρουν οδηγίες για πρωτεΐνες σε σχήμα κελύφους ιού.
Ενδείξεις για την άμυνα κατά των ιών
Το σύμπλεγμα δεν είναι σιωπηλό. Σε γενετικά δεδομένα από πέντε είδη και στελέχη ζυμομυκήτων, τα κύτταρα δημιουργούσαν αντίγραφα RNA και των τεσσάρων γονιδίων και το πρώτο γονίδιο ήταν συνήθως το πιο ενεργό.
Σε ένα είδος, το πρώτο και το τέταρτο γονίδιο ήταν περίπου τρεις φορές πιο ενεργά σε φιάλες που είχαν κατασκευαστεί για να αναμειγνύουν περισσότερο οξυγόνο.
Αυτές οι δοκιμές ανάπτυξης δεν σχεδιάστηκαν για να ανιχνεύουν ιογενείς λοιμώξεις, επομένως η δραστηριότητα των γονιδίων θα μπορούσε να συνδεθεί με τον χειρισμό του RNA, με το περιβάλλον των ζυμομυκήτων ή με την άμυνα κατά των ιών.
Υπάρχει μια υπόδειξη για την τελευταία ιδέα. Σε ένα πείραμα του 2018 , ένα γονίδιο που μοιάζει με κέλυφος από μια άλλη μαγιά, τον Debaryomyces hansenii , απέκλεισε έναν σχετικό ιό από τη μαγιά αρτοποιίας.
Από τα δύο στελέχη του S. segobiensi , αυτό με άθικτη συστάδα δεν έφερε ανιχνεύσιμο τοτιϊό. Αυτό χωρίς άθικτη συστάδα ήταν το μόνο στέλεχος στην έρευνα που έφερε.
Τα ιικά γονίδια μπορεί να ωφελήσουν τη ζύμη
«Οι τοτιϊοί είναι κάτι σαν εχθροί για τη ζύμη. Υπό ορισμένες συνθήκες, βοηθούν τον ξενιστή να αντιμετωπίσει το φυσιολογικό στρες», είπε ο Taylor.
«Έτσι, μπορεί να είναι χρήσιμο για μια μαγιά να διατηρεί τα οφέλη ενός ιού χωρίς να χρειάζεται να ανησυχεί για τον έλεγχο του ιού».
Αυτό που κάνουν στην πραγματικότητα οι τέσσερις πρωτεΐνες STORM μέσα σε ένα κύτταρο ζύμης δεν έχει ακόμη δοκιμαστεί.
Η ομάδα ελπίζει να καλλιεργήσει τις ζύμες υπό διαφορετικά είδη στρες και να δει αν τα γονίδια ανταποκρίνονται.
Τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να υποδεικνύουν τη δουλειά που κάνουν τώρα τα γονίδια για τους ξενιστές τους.
Η πλήρης μελέτη δημοσιεύτηκε στο περιοδικό Molecular Biology and Evolution.
Γεωδίφης με πληροφορίες από τη σελίδα Earth.com
περισσότερα,
A domesticated totivirus-like tandem array undergoes interspecific transfer and asymmetric evolution- Derek J Taylor , Dominic A Tringali
https://academic.oup.com/mbe/advance-article/doi/10.1093/molbev/msag269/9005680
https://www.earth.com/animals/ancient-viruses-left-behind-genes-that-are-still-spreading-millions-of-years-later/?ck_subscriber_id=4271623844
