Diese Fische stahlen einem anderen Fisch ein Frostschutzgen und wurden zu natürlichen GVO

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Millionen von Jahren, bevor Wissenschaftler gentechnisch veränderten Atlantischen Lachs mit Genen von zwei anderen Fischen schufen, schuf die Natur einen genetisch veränderten Schmelz mit einem Gen aus Hering, wie wachsende Beweise zeigen.

Und jetzt sagen die kanadischen Wissenschaftler, die diese kontroverse Idee zuerst vorgeschlagen haben, dass sie eine Ahnung haben, wie die Natur es getan haben könnte.

Eine neue Studie der Forscher der Queen’s University, Laurie Graham und Peter Davies, findet “schlüssige” Beweise für die umstrittene Idee, dass das Frostschutzgen, das Regenbogenschmelze hilft, eisige Küstengewässer zu überleben, ursprünglich aus Hering stammte und vor etwa 20 Millionen Jahren durch Schmelze gestohlen wurde.

Sie schlagen vor ihr neues Papier in Trends in Genetics dass dies durch einen Prozess geschehen sein könnte, der der Art und Weise sehr ähnlich ist, wie Gene heute von Wissenschaftlern im Labor manchmal von einer Spezies auf eine andere übertragen werden.

Gene anderer Arten stehlen

Gene werden normalerweise von den Eltern an die Nachkommen weitergegeben. In den letzten Jahrzehnten entdeckten Wissenschaftler jedoch, dass sie auch außerhalb der normalen Reproduktion von einer Art zur anderen “springen” oder “gestohlen” werden können – ein Prozess, der als horizontaler Gentransfer oder lateraler Gentransfer bezeichnet wird.

Es ist etwas, das häufig bei Mikroben wie Bakterien vorkommt – so häufig, dass der kanadische Wissenschaftler W. Ford Doolittle vorschlug, es könnte erklären ein großer Teil der Lebensgeschichte auf der Erde.

In jüngster Zeit gab es einige Hinweise darauf, dass dies bei einigen komplexeren Organismen der Fall ist. Zum Beispiel scheinen Blattläuse zu haben ein Pilzgen gestohlen, um ein Pflanzenpigment herzustellen und Meeresalgen scheinen das Land vor 500 Millionen Jahren kolonisiert zu haben mit Hilfe eines aus Bodenbakterien gestohlenen Gens. Zuletzt berichteten Wissenschaftler letzte Woche über die erster bekannter Fall eines Gens, das von einer Pflanze auf ein Tier übertragen wird.

Laurie Graham, eine wissenschaftliche Mitarbeiterin an der Queen’s University, sagte, als sie und Peter Davies vor mehr als einem Jahrzehnt zum ersten Mal vorschlugen, dass ein horizontaler Gentransfer bei Fischen stattgefunden habe, fiel es ihnen schwer, das Papier zu veröffentlichen. (Laurie Graham)

In komplexeren Organismen wie Fischen und Menschen ist auch bekannt, dass bestimmte virusähnliche DNA-Sequenzen, die als “transponierbare Elemente” oder “Transposons” bezeichnet werden, von Art zu Art springen.

Aber das Gleiche war nicht für nützliche Gene gesehen worden, die für Dinge wie Proteine ​​kodieren. Das liegt daran, dass Gene in mehrzelligen Organismen nur dann von Generation zu Generation übertragen werden können, wenn sie spezifisch in Fortpflanzungszellen wie Eier oder Spermien gelangen.

Davies ist Professor und kanadischer Forschungslehrstuhl für Proteintechnik an der Queen’s University. Graham ist wissenschaftlicher Mitarbeiter in seinem Labor.

Als die beiden vor mehr als einem Jahrzehnt zum ersten Mal feststellten, dass Hering und Schmelze ihr Frostschutzprotein über einen horizontalen Gentransfer geteilt haben müssen, war es das erste Mal, dass jemand vermutete, dass ein Wirbeltier – ein komplexes Tier mit einem Rückgrat – ein solches Gen übertragen hatte zu einem anderen Wirbeltier. Das machte es ziemlich kontrovers.

“Es fiel uns wirklich schwer, ein Tagebuch für unsere erste Zeitung zu finden”, erinnert sich Graham. “Die Rezensenten waren nicht gerade nett, und es gab viele Zweifel.”

Es hat nicht geholfen, dass a Hochkarätiger Bericht über den horizontalen Gentransfer in komplexen Organismen zu dieser Zeit von Bakterien auf Menschenwurde von anderen Wissenschaftlern in Frage gestellt, die andere Erklärungen für Gene vorschlugen, die zwischen den beiden Arten von Organismen geteilt wurden.

Hinweise auf ein gestohlenes Gen.

Graham hatte ursprünglich verschiedene Arten von Frostschutzproteinen untersucht, nicht nur in Fischen, sondern auch in Insekten, Bakterien, Pflanzen und kleinen Bodenkreaturen, sogenannten Springschwänzen.

Die meisten von ihnen schienen von einem gemeinsamen Vorfahren zu stammen, mit einer ähnlichen Struktur bei eng verwandten Tieren.

Hering wird 2015 von einem Fischerboot in Rockland, Maine, abgeladen. Sowohl pazifischer als auch atlantischer Hering haben ein Frostschutzgen, das ihnen hilft, in eisigen Küstengewässern zu überleben. (Robert F. Bukaty / The Associated Press)

Dies war jedoch nicht der Fall bei Hering und Schmelz, die so weit voneinander entfernt sind, dass das letzte Mal, dass sie einen Vorfahren teilten, vor 250 Millionen Jahren war, ungefähr zu der Zeit, als die ersten Dinosaurier auftauchten.

“Jedes andere Gen, das wir bei diesen beiden Arten untersucht haben, ist in der Regel sehr unterschiedlich”, sagte Graham.

In der Zwischenzeit, fügte sie hinzu, haben engere Cousins ​​nicht das Frostschutzprotein, das Atlantischer Hering, Pazifischer Hering und Regenbogenschmelz bekanntermaßen gemeinsam haben.

“Wir haben andere Fische, die enger mit diesen Arten verwandt sind und völlig andere Arten von Frostschutzprotein produzieren. Das ist also auf evolutionärer Basis nicht wirklich sinnvoll, wenn jeder sein Frostschutzprotein von seinen Vorfahren erbt.”

Skeptiker waren nicht überzeugt, deshalb suchten die Forscher nach weiteren Beweisen. Eng verwandte Fische wie verschiedene Arten von Schmelzen haben tendenziell dieselben Gene in derselben Reihenfolge. Und der Forscher stellte fest, dass dies der Fall war – mit Ausnahme des Frostschutzgens, das zwischen zwei Genen gefunden wurde, die normalerweise in einem anderen Schmelz nebeneinander liegen.

“Das ist es, was Sie erwarten würden, wenn Sie ein Gen haben, das durch horizontalen Gentransfer in ein Genom eingefügt wurde.”

Kürzlich hörten die Forscher, dass das Genom des Atlantischen Herings in einer öffentlichen Datenbank veröffentlicht wurde.

Sie beschlossen, genauer hinzuschauen.

“Eine der Lektionen zum Mitnehmen ist, dass diese genetische Veränderung tatsächlich in der Natur stattfindet”, sagte Peter Davies, Professor und kanadischer Forschungslehrstuhl für Proteintechnik an der Queen’s University. (Peter Davies)

Erinnern Sie sich an jene transponierbaren Elemente, die oft zwischen Organismen springen? Sie können auch als Fingerabdruck für einen bestimmten Organismus verwendet werden. Hering hat bestimmte transponierbare Elemente, die hunderte Male über sein gesamtes Genom geklebt wurden, einschließlich in und um ihre acht Frostschutzgene.

Als die Forscher das einzelne Frostschutzgen des Schmelzes betrachteten, waren drei dieser transponierbaren Heringselemente angebracht, sagte Graham. “Es war also wie ein kleines Etikett zu sagen: ‘Hey, ich komme aus Hering.'” Diese transponierbaren Elemente wurden nirgendwo anders in der Schmelze gefunden.

Die Forscher sagen, es ist ein schlüssiger Beweis dafür, dass sich das Frostschutzgen über einen horizontalen Gentransfer zwischen den beiden Fischen bewegt hat und dass es vom Hering zum Schmelzen übergegangen ist und nicht umgekehrt.

Wie hat das Gen Spezies gesprungen?

Als die früheren Arbeiten der Forscher eine Peer-Review durchliefen, war eine der Fragen, die die Reviewer hatten, wie sich das Gen zwischen den Arten bewegt haben könnte, und sie versuchten, eine Hypothese aufzustellen.

Eine Möglichkeit, so dachten sie, könnte den im Labor verwendeten Techniken zur Herstellung gentechnisch veränderter Tiere ähneln. Ein sogenannter “spermienvermittelter Gentransfer” besteht darin, Spermien mit der DNA zu mischen, die Sie einführen möchten, und sie dann zur Befruchtung einer Eizelle zu verwenden.

“Und wir dachten, ‘Nun, könnte das nicht auch in der Natur passieren?” Graham erinnerte sich.

Fische und viele andere Meerestiere haben eine äußere Befruchtung, bei der Eier und Spermien – bekannt als Milt – während des Laichens gleichzeitig in großen Mengen ins Wasser gelangen und einige von ihnen zusammen Nachkommen hervorbringen.

Graham bemerkte, dass beim Laichen von Hering an Kanadas Atlantik- und Pazifikküste “man tatsächlich sehen kann, dass der Ozean von all dem Milt, den der männliche Hering freisetzt, weiß gefärbt ist”.

Das Sperma bricht nach einigen Stunden auseinander und setzt DNA ins Wasser frei. Und die Forscher schlugen vor, dass Herings-DNA während eines dieser Ereignisse möglicherweise ihren Weg in regenbogenschmelzende Eier oder Spermien gefunden hat.

Graham räumt ein, dass es keine Möglichkeit gibt, dies zu beweisen – “nicht, wenn wir keine Zeitmaschine hatten.”

Aber wenn die Gene auf diese Weise übertragen wurden, ist dies wahrscheinlich auch bei anderen Fischgenen der Fall, schlug Davies vor, und Wissenschaftler sollten nach anderen Beispielen suchen.

Die andere Implikation ist, dass genetisch veränderte Organismen, die von Aktivisten als “Frankenfoods” bezeichnet wurden, möglicherweise nicht so unnatürlich sind.

“Eine der Lektionen zum Mitnehmen ist, dass diese genetische Veränderung tatsächlich in der Natur stattfindet”, sagte Davies. “Nicht sehr oft – es ist wahrscheinlich ziemlich selten – aber vielleicht sollten wir darüber nicht so beunruhigt sein. Es ist eigentlich eher ein natürliches Ereignis als wir bisher dachten.”

Was andere Wissenschaftler denken

Garth Fletcher, emeritierter Professor und Leiter der Abteilung für Ozeanwissenschaften an der Memorial University, ist der Miterfinder des gentechnisch veränderten Lachses von Aquabounty (aber nicht durch spermienvermittelten Gentransfer) und hat zuvor mit Davies zusammengearbeitet, um Frostschutzproteine ​​in Fischen zu vergleichen. Er war nicht an der neuen Studie beteiligt.

Fletcher glaubt nicht, dass die Forschung diejenigen beruhigen wird, die gegen GVO sind.

Er sagt, es ist bezeichnend, dass die Forscher an einem Punkt angelangt sind, an dem sie der Meinung sind, dass ihre Beweise für einen horizontalen Gentransfer in diesem umstrittenen Fall so stark sind. Er schrieb neuen molekulargenetischen Techniken die Ermöglichung zu.

“Vor zwanzig Jahren hättest du dieses Zeug nicht machen können.”

Luis Boto, leitender Wissenschaftler in der Abteilung für Evolutionsbiologie am Nationalen Naturkundemuseum in Madrid, war Verfolgung der Hinweise auf einen horizontalen Gentransfer in komplexen Organismenund sagte, dass die neuen genetischen Werkzeuge es Wissenschaftlern ermöglichen werden, zu untersuchen, wie häufig dies ist.

“Dieses Papier öffnet die Tür zu einem wichtigen Forschungsfeld, da die Sequenzierung neuer Fischgenome uns interessante Erkenntnisse liefern wird”, fügte er in einer E-Mail hinzu, “und es uns ermöglichen wird, mehr über die mögliche Bedeutung des horizontalen Gentransfers in der EU zu verstehen Evolution der Tiere. “

Er sagte, dass Beweise für einen horizontalen Gentransfer bei Wirbeltieren selten bleiben, aber das neue Papier bietet “wichtige Unterstützung” für den Fall, dass es zwischen Hering und Schmelze auftritt.

Gane Ka-Shu Wong, Biologieprofessor an der Universität von Alberta, ist ebenfalls von der Studie überzeugt und hält die vorgeschlagene Art und Weise, wie das Gen vom Hering zum Schmelzen übergeht, für plausibel.

Wong hat vor ein paar Jahren eine Studie veröffentlicht, die dies zeigt Pflanzen, die früher auf die Ozeane beschränkt waren, stahlen Bodenbakterien ein Gen, um Land besiedeln zu können.

Während solche horizontalen Gentransferereignisse in komplexen Organismen selten erscheinen, könnten sie einen großen Unterschied machen, wenn sie dem Organismus zum Überleben verhelfen, sagte er.

“Ich vermute, dass viele wichtige evolutionäre Ereignisse möglicherweise durch eine Art horizontalen Gentransfer ausgelöst wurden.”

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