Moonlighting Genes Evolve for a Ponomous Job

Τα δηλητήρια είναι από τις πιο άγριες προσαρμογές της φύσης. Το σαλιγκάρι του κώνου του γεωγράφου, για παράδειγμα, εγχέει μόνο περίπου το ένα δέκατο του χιλιοστού του γραμμαρίου δηλητηρίου όταν τσιμπάει και, ωστόσο, αυτό είναι περισσότερο από αρκετό για να σκοτώσει έναν άνθρωπο σε λιγότερο από μία ώρα. Αυτά τα χημικά κοκτέιλ περιέχουν μερικές από τις πιο ισχυρές γνωστές ενώσεις και η τρομακτική δύναμή τους προκαλεί δέος στους ανθρώπους από την αυγή της ιστορίας. Ωστόσο, μέχρι τις σύγχρονες προόδους στη γενετική, οι επιστήμονες μπόρεσαν να μελετήσουν πώς προκύπτουν τα γονίδια που κωδικοποιούν τέτοιες ισχυρές τοξίνες, παρέχοντας ματιές στη λειτουργία της εξέλιξης σε μοριακό επίπεδο. Από τέτοιες μελέτες προέκυψε το τρέχον κανονικό μοντέλο για το πώς εξελίσσονται τα γονίδια του δηλητηρίου μέσω της τυχαίας αντιγραφής και μετάλλαξης γονιδίων για ένζυμα, πεπτίδια και άλλες πρωτεΐνες.

Αλλά νέα ευρήματα δημοσιεύθηκαν σήμερα στο Current Biology αμφισβητήσει αυτό το μοντέλο, διαπιστώνοντας ότι η πλειονότητα των γονιδίων τοξινών για τα είδη παρασιτοειδών σφηκών είναι αντίθετα «σεληνιόφως» από άλλους φυσιολογικούς ρόλους. Μια περαιτέρω συναρπαστική επίπτωση είναι ότι εάν αυτή η ανακάλυψη σχετίζεται με άλλες ενώσεις εκτός από τα δηλητήρια, μπορεί να είναι ένα μονοπάτι που χρησιμοποιεί η φύση για να αναπτύξει γρήγορα άλλες εξελικτικές λύσεις.

«Δουλεύω για παρασιτοειδείς σφήκες για πολύ καιρό», παρατήρησε ο Τζακ Βέρεν, καθηγητής βιολογίας στο Πανεπιστήμιο του Ρότσεστερ. Η γοητεία του με αυτά τα ζώα επικεντρώνεται στα εξειδικευμένα δηλητήριά τους, τα οποία επιτρέπουν στις σφήκες να είναι αριστοτεχνικοί φυσιολογικοί μαριονέτες. Οι παρασιτοειδείς σφήκες είναι μια τεράστια ομάδα μεταξύ 100.000 και 600.000 ειδών που είναι παρασιτικά όταν είναι προνύμφες, ζουν πάνω ή συχνά μέσα σε έναν ξενιστή που τρώνε ζωντανά. Ως ενήλικες που ζουν ελεύθερα, πρέπει να βρουν και να υποτάξουν ένα κατάλληλο πλάσμα για να φιλοξενήσει τα μικρά τους, κάτι που το κάνουν με τη βοήθεια δηλητηρίων που αλλάζουν τη συμπεριφορά. Η σμαραγδένια σφήκα κατσαρίδας, για παράδειγμα, μετατρέπει τους τρομερούς στόχους της - κατσαρίδες πολλές φορές το μέγεθός της - σε αυτάρεσκα γεύματα για τους πεινασμένους απογόνους των σφηκών χειραγωγώντας τη χημεία του εγκεφάλου των ζώων. Οι Γλυπταπαντέλες Η σφήκα προχωρά ακόμη παραπέρα, μετατρέποντας τις προσφορές της από κάμπιες σε σωματοφύλακες ζόμπι που προστατεύουν τις νεαρές σφήκες που μόλις έφαγαν την έξοδο τους από τους ιστούς των κάμπιων. Μια άλλη σφήκα, η Reclinervellus nielseni , αναγκάζει τα αραχνοειδή θύματά του να μεταμορφώσουν τους ιστούς τους σε γερές φωλιές που θα συνεχίσουν να προστατεύουν τις προνύμφες της σφήκας μετά τη λήξη των αράχνων.

«Τα δηλητήρια των παρασιτοειδών είναι αρκετά διαφορετικά από εκείνα των περισσότερων δηλητηριωδών ζώων που έχουν μελετηθεί επειδή έχουν εξελιχθεί για να χειραγωγούν τον μεταβολισμό» αντί να σκοτώνουν εντελώς, εξήγησε ο Werren. Αυτός και δύο μεταδιδακτορικοί συνεργάτες στο εργαστήριό του, η Έλεν Ο. Μάρτινσον και ο Μριναλίνι (τώρα στο Εθνικό Πανεπιστήμιο της Σιγκαπούρης), ενδιαφέρθηκαν να κατανοήσουν την ποικιλία των τοξινών στα παρασιτοειδή δηλητήρια και πώς αυτές οι τοξίνες εξελίσσονται. Αυτοί και οι συνάδελφοί τους ξεκίνησαν συναρμολογώντας γονιδιώματα για πολλά στενά συγγενικά είδη σφηκών και βρήκαν κάτι εντυπωσιακό:Ακόμη και στενοί συγγενείς μεταξύ των σφηκών μοιράζονταν μόνο το 30 με 40 τοις εκατό των γονιδίων του δηλητηρίου τους. Αυτός ο εκπληκτικά χαμηλός αριθμός υποδηλώνει ότι η εξέλιξη νέων ειδών συνοδεύτηκε από ταχεία εναλλαγή των γονιδίων του δηλητηρίου, με παλιά γονίδια να εγκαταλείπονται και νέα με νέες λειτουργίες δηλητηρίου να εμφανίζονται ξαφνικά. «Η επόμενη ερώτησή μας ήταν, εντάξει, τι έγινε;» είπε ο Βέρεν. «Αυτά τα γονίδια που συλλέγονται, από πού προέρχονται; Και αυτό μας οδήγησε σε αυτό το ευρύ ερώτημα:Πώς εξελίσσονται οι λειτουργίες των νέων γονιδίων;»

Βασισμένο σε μεγάλο βαθμό σε μελέτες φιδιών, αραχνών και άλλων ειδών επικίνδυνων για τα δικά μας, πιστεύεται ότι τα περισσότερα γονίδια δηλητηρίου προκύπτουν μέσω του μηχανισμού διπλασιασμού γονιδίων που ακολουθείται από μετάλλαξη και επαναχρησιμοποίηση (την οποία οι επιστήμονες αναφέρουν ως νεολειτουργικότητα). Η διαδικασία ξεκινά όταν ένα γονίδιο για ένα μόριο με μια δυνητικά τοξική λειτουργία, όπως ένα ένζυμο κοπής πρωτεϊνών, διπλασιάζεται κατά λάθος, συνήθως κατά τη διάρκεια του σχηματισμού ωαρίων και σπερματοζωαρίων. Το επιπλέον αντίγραφο, χωρίς το βάρος της εκτέλεσης των βιολογικών καθηκόντων του αρχικού γονιδίου, μπορεί να συσσωρεύσει αλλαγές μέσω τυχαίων μεταλλάξεων. Αυτές οι αλλαγές μπορεί να καταστήσουν το διπλό γονίδιο ή την πρωτεΐνη του άχρηστο και μπορεί να εξαφανιστεί. Μερικές φορές, ωστόσο, αυτές οι αλλαγές μεταβάλλουν την πρωτεΐνη με τέτοιο τρόπο ώστε να γίνεται χρήσιμη τοξίνη — και voilà, γεννιέται μια δηλητηριώδης τοξίνη.

Αλλά όταν οι Martinson, Mrinalini, Werren και οι συνάδελφοί τους συνέκριναν τις πρωτεΐνες και τα γονίδια του δηλητηρίου από τέσσερα στενά συγγενικά είδη παρασιτοειδών σφηκών, δεν είδαν αυτό. Σε πλήρη αντίθεση με τις μελέτες άλλων δηλητηριωδών ζώων, ανακάλυψαν ότι σχεδόν τα μισά από τα 53 πιο πρόσφατα γονίδια δηλητηρίου που αποκαλύφθηκαν μέσω των γενετικών αναλύσεών τους ήταν ένα αντίγραφο, που σημαίνει ότι δεν ήταν αντίγραφα άλλων γονιδίων με τα οποία η εξέλιξη είχε μπερδευτεί. Στην πραγματικότητα, λιγότερο από το 10 τοις εκατό των γονιδίων της τοξίνης προέκυψε σαφώς μέσω διπλασιασμού και μετάλλαξης.

Στη συνέχεια, η ομάδα θέλησε να καταλάβει πώς αυτά τα γονίδια ενός αντιγράφου μετατράπηκαν από την εκτέλεση συνηθισμένων, μη δηλητηριωδών λειτουργιών σε τοξίνες. Και πάλι, τα αποτελέσματα ήταν εκπληκτικά. «Όταν αρχίσαμε να το κάνουμε αυτό, στην πραγματικότητα το βλέπαμε λάθος», είπε ο Werren. «Σκεφτήκαμε ότι αυτό που βλέπαμε ήταν η ταχεία εξειδίκευση των γονιδίων ως δηλητήρια και η απώλεια της άλλης λειτουργίας τους». Αλλά όταν εξέτασαν ποιοι ιστοί στο σώμα των σφηκών εξέφραζαν τα γονίδια, "ανακαλύψαμε ότι δεν ήταν αυτό."

Αντίθετα, ο Werren παρομοίασε τη λειτουργικότητα αυτών των γονιδίων ενός αντιγράφου με το "moonlighting" για επιπλέον μετρητά, με τα γονίδια να αναλαμβάνουν μια "νυχτερινή εργασία" στον δηλητηριώδη αδένα εκτός από την "ημερήσια εργασία" τους σε άλλα μέρη του σώματος. Τα γονίδια εκφράστηκαν συνήθως σε κάποιο βαθμό σε διάφορους ιστούς κατά τη διάρκεια των σταδίων ανάπτυξης προνυμφών ή ενηλίκων. Οι δηλητηριώδεις αδένες απλώς εξέφραζαν τα γονίδια πολύ πιο άφθονα και σταθερά. Κατά συνέπεια, η πρωτεΐνη του γονιδίου - η οποία είχε μια καλοήθη φυσιολογική λειτουργία αλλού στο σώμα της σφήκας - έφτασε σε συγκέντρωση με τοξικές ιδιότητες στο δηλητήριο. «Γι’ αυτό πολλά από αυτά είναι εξέλιξη έκφρασης», εξήγησε ο Werren. «Η πρωτεΐνη δεν αλλάζει πολύ. Είναι απλώς το εκφραστικό του μοτίβο που αλλάζει για να το κάνει δηλητήριο.»

Η έλλειψη αλλαγής είναι επίσης πολύ διαφορετική από ό,τι αναμένεται για τα γονίδια του δηλητηρίου. Στο μοντέλο διπλοτυπίας και μετάλλαξης είναι σιωπηρή η υπόθεση ότι οι τοξίνες πρέπει να εξελιχθούν γρήγορα για να είναι αποτελεσματικές επειδή πολλά δηλητηριώδη ζώα μπορούν να εγκλωβιστούν σε έναν αγώνα εξοπλισμών με τους στόχους των τοξινών τους. Εάν τα δηλητήρια δεν εξελιχθούν αρκετά γρήγορα, τότε τα αρπακτικά ή τα θηράματα στα οποία πρόκειται να δράσουν θα αναπτύξουν ένα αντίμετρο και θα καταστήσουν το τοξικό πλεονέκτημα αμφισβητήσιμο. Και μέχρι σήμερα, οι βιολόγοι που μελετούν άλλα είδη έχουν δει γονίδια δηλητηρίου να εξελίσσονται με ιλιγγιώδη ρυθμό:Οι κωνοτοξίνες που χρησιμοποιούνται από τα σαλιγκάρια των κώνων, για παράδειγμα, είναι γνωστό ότι μεταλλάσσονται γρήγορα.

Ωστόσο, τα ευρήματα δείχνουν ότι οι σφήκες δεν χρειάζονται μεταλλάξεις στα γονίδια της τοξίνης του δηλητηρίου για να αλλάξουν από τον έναν ξενιστή στον άλλο ή για να συμβαδίσουν με τους σημερινούς ξενιστές τους. Απλώς πρέπει να μπορούν να συνεπιλέγουν και να ρίχνουν γονίδια για χρήση στη γρήγορη παραγωγή δηλητηρίων.

Τα αποτελέσματα ανοίγουν την πιθανότητα οι επιστήμονες να έχουν παραβλέψει ένα σημαντικό μονοπάτι για την προέλευση των γονιδίων τοξινών. «Αυτά τα ευρήματα εγείρουν σημαντικά ερωτήματα σχετικά με τις διαδικασίες που άλλα δηλητηριώδη ζώα μπορεί να έχουν χρησιμοποιήσει για να δημιουργήσουν τις τοξίνες τους», έγραψε ο Nicholas Casewell, ανώτερος λέκτορας και ερευνητής του Wellcome Trust στην Ερευνητική Μονάδα Δηλητηρίου Alistair Reid στο Liverpool School of Tropical Medicine. σε μια συνοπτική αποστολή που δημοσιεύεται παράλληλα με την Τρέχουσα Βιολογία χαρτί. "Ενώ ο διπλασιασμός των γονιδίων και το εναλλακτικό μάτισμα συνήθως επικαλούνται ως κύριοι μηχανισμοί που στηρίζουν τη νεολειτουργικότητα των πρωτεϊνών, αυτή η μελέτη προτείνει ότι η διαδικασία της co-option θα πρέπει να επαναξιολογηθεί ως μια δυνητικά σημαντική μέθοδος με την οποία τα γονίδια μπορούν να αποκτήσουν νέες λειτουργίες."

Ο Bryan Fry, επικεφαλής του Venom Evolution Laboratory στο Πανεπιστήμιο του Κουίνσλαντ, συμφώνησε γενικά με αυτή την άποψη στα σχόλια που εστάλησαν μέσω email στο Quanta . Το έργο του Werren και της ομάδας του είναι ένα «πολύ ενδιαφέρον χαρτί που ενισχύει ότι όσο περισσότερα μαθαίνουμε για την εξέλιξη του δηλητηρίου, τόσο περισσότερο συνειδητοποιούμε πόσο λίγα γνωρίζουμε. Οι παρασιτοειδείς σφήκες ήταν ήδη γνωστό ότι έχουν πολύ περίεργες στρατηγικές και αυτό το έγγραφο ενισχύει πόσο μοναδικά αποκλίνουσες είναι». Αν η συνεπιλογή εμφανίζεται ευρύτερα πρέπει να καθοριστεί, έγραψε.

«Δεν μου είχε συμβεί ιδιαίτερα ως ένας πιθανός μηχανισμός εξέλιξης του δηλητηρίου», παραδέχτηκε ο Wolfgang Wüster, λέκτορας στο Πανεπιστήμιο Bangor. Δεν είναι επίσης πεπεισμένος ότι αυτός ο μηχανισμός γονιδιακής εξέλιξης είναι εμφανής σε άλλες δηλητηριώδεις ομάδες. «Υποψιάζομαι ότι θα παραμείνει ασυνήθιστο», είπε. «Όπως επισημαίνουν οι συγγραφείς, τα παρασιτοειδή δηλητήρια δρουν με πολύ πιο λεπτό, πιο λεπτομερή τρόπο από τα πιο γνωστά αρπακτικά ή αμυντικά δηλητήρια πραγμάτων όπως φίδια, αράχνες ή κοχύλια κώνων». Αυτός ο μοναδικός οικολογικός ρόλος για το δηλητήριο της σφήκας θα μπορούσε να εξηγήσει γιατί αυτά τα ζώα βασίζονται τόσο πολύ σε έναν διαφορετικό μηχανισμό για την εξέλιξη των γονιδίων από άλλα δηλητηριώδη είδη. "Η εκτεταμένη αναισθησία είναι πολύ πιο δύσκολη και απαιτεί πολύ περισσότερη λεπτότητα από το να σκοτώσεις κάτι - ρωτήστε οποιονδήποτε χειρουργό", είπε ο Wüster.

Όπως ο Wüster, ο Werren θεωρεί ότι η ιδέα ότι η συν-επιλογή είναι σπάνια μεταξύ των γονιδίων του δηλητηρίου είναι «μία υπόθεση που θα έπρεπε να διερευνηθεί». Ωστόσο, πιστεύει ότι είναι πιθανό ότι αυτός ο τρόπος εξέλιξης θα μπορούσε να είχε υποτιμηθεί, επειδή άλλες μελέτες έχουν σπάνια συγκρίνουν εξελικτικούς συγγενείς. «Αν κοιτάξετε είδη που είναι πολύ, πολύ αποκλίνοντα μεταξύ τους, μπορεί να διαπιστώσετε ότι ένα συγκεκριμένο υποσύνολο γονιδίων είναι κοινά και άλλα [δεν είναι], αλλά δεν έχετε πραγματικά την εικόνα λεπτής κλίμακας.

«Μπορεί αυτή η διαδικασία να μην είναι τόσο σημαντική για τα φίδια», είπε, αλλά σημείωσε ότι «πρέπει να γίνει πολύ περισσότερη δουλειά για να εξεταστούν πολύ στενά συγγενικά είδη φιδιών προτού μπορέσουμε να πούμε με βεβαιότητα». P>

Ο Werren πιστεύει ότι ο ρόλος του γονιδιακού φεγγαρόφωτος μπορεί να μην σταματήσει με τα δηλητήρια. Το γονιδιακό φεγγαρόφωτο μπορεί να συμβεί μόνο μέσω αλλαγών στην έκφραση, οι οποίες μπορεί να προκύψουν από μία μόνο μετάλλαξη. δεν απαιτεί τη διαδικασία μαιανδρισμού της τυχαίας αλλαγής και επιλογής που υπονοείται από το μοντέλο διπλασιασμού και νεολειτουργικότητας. Συνεπώς, η συνεπιλογή είναι πιθανό να είναι ένας πολύ ταχύτερος μηχανισμός προσαρμογής. «Για τα είδη που έχουν ένα πολύ ταχέως μεταβαλλόμενο περιβάλλον, αυτή η διαδικασία συνεπιλογής μεμονωμένων γονιδίων μπορεί να είναι αρκετά σημαντική. Απλώς δεν έχει εξεταστεί τόσο πολύ», παρατήρησε.

«Είναι αυτή μια γενική λειτουργία ή είναι κάτι που συμβαίνει μόνο σε αυτά τα εξειδικευμένα όργανα;» ρώτησε. «Ανυπομονώ να απαντήσω αυτό το ερώτημα τα επόμενα χρόνια, αλλά πιστεύω ότι θα είναι ένας αρκετά ευρύς μηχανισμός, ιδιαίτερα όταν οι οργανισμοί υπόκεινται σε ταχεία επιλογή.»

«Αυτή η εργασία είναι μια άλλη ωραία απεικόνιση μιας από τις χαρές της βιολογίας», είπε ο Wüster. "Απλώς όταν νομίζετε ότι έχετε βρει μια γενίκευση του πώς τα ζώα καταφέρνουν κάτι, εμφανίζεται κάτι άλλο που το κάνει εντελώς διαφορετικά."

Διορθώσεις:Αυτό το άρθρο αναθεωρήθηκε στις 26 Ιουνίου 2017, για να αναγνωριστεί ο Μριναλίνι ως συνεπικεφαλής ερευνητής σε αυτό το έργο. Επίσης,
το κατώτερο όριο του αριθμού των παρασιτοειδών ειδών σφήκας, που αρχικά εμφανιζόταν ως "100,00", διορθώθηκε σε 100.000.