Fakta
Stäng av ordförklaringar

Horisontell genöverföring

Genetisk modifiering sker spontant i naturen utan teknisk hjälp. Det är viktiga processer i både bakteriers och växters evolution.

Sammanfattning

Gener kan flyttas mellan arter utan att genteknik används, eller fortplantning är involverat. Det kallas för horisontell genöverföring och är vanligast mellan prokaryota organismer (bakterier och arkeér). Men även hos växter, svampar och djur (eukaryoter) har horisontell genöverföring under evolutionens gång spelat en avgörande roll för hur många arter ser ut och fungerar i dag.

En bakterie har DNA fritt inne i cellen bland annat i ringformade plasmider. Bakterier kan skicka plasmider mellan sig i en form av horisontell genöverföring. Illustration Gunilla Elam

Gentjuvar avslöjade med jämförande genomik

Från 2000-talet och framåt har tekniker för att sekvensera hela genom utvecklats snabbt. Det har resulterat i att hela genom från tusentals arter finns tillgängliga digitalt i stora databaser och kan jämföras med varandra. Det kallas jämförande genomik och används för att studera hur arter är lika, olika och besläktade.

Genom sådana jämförelser har forskare upptäckt horisontell genöverföring, vilket innebär att DNA förs över mellan obesläktade arter. Detta skiljer sig från vertikal genöverföring, där avkommor ärver DNA från sina föräldrar. Horisontell genöverföring har haft stor betydelse för evolutionen.

Bakterier byter DNA med varandra

Hos bakterier och arkeér är horisontell genöverföring relativt vanligt. Det ligger till exempel bakom den snabba spridningen av antibiotikaresistens.

Bakterier och arkeér har DNA fritt i cellen, i form av en kromosom och ett antal ringformade plasmider. Dessa plasmider innehåller ett fåtal gener och kan föras över mellan bakterier på olika sätt. De kan till exempel ta upp ”fria” plasmider som finns i bakteriens omgivning, eller skicka mellan sig via pilier (trådliknande utskott) på cellytan.

Det här är ett sätt för en organism utan sexuell förökning att öka den genetiska variationen. Horisontell genöverföring är i synnerhet vanligt när de prokaryota organismerna lever i kolonier tätt inpå varandra.

Bakterien Escherichia coli (E.coli) kan leva i kolonier, då är horisontell genöverföring särskilt vanligt. Bild från Pixabay.

Eukaryoter kan ha modifierats av virus

Det finns också exempel på mer komplexa eukaryota livsformer (växter, djur och svampar) som ”tagit upp” gener från andra arter. Det förekommer flera teorier om hur det kan gå till.

En teori är att virus, parasiter eller bakterier kan föra över DNA mellan olika eukaryota arter när de infekterar eller lever nära sina värdar. En annan teori är att celler kan ta upp DNA från omgivningen via processer som endocytos eller fagocytos. Om DNA sedan når cellkärnan kan det i sällsynta fall bli en del av organismens genom.

Forskare har också visat att gener från en jordbakterie finns i så väl odlade som vilda växter. Bland de arter som naturligt modifierats finns humle, valnöt, wasabi, jordnöt, trädgårdsnejlika, amerikanskt tranbär, vitblära, gulsporre och flera arter av tobak.

En jordbakterie som visade vägen för genteknik

Jordbakterien Agrobacterium tumefaciens har en ovanlig livsstil. Den får sin näring genom att modifiera växter genetiskt. Det var studier av denna bakterie som visade forskare hur växter kan modifieras. Än idag används A. tumefaciens som ett viktigt verktyg inom genteknik för att överföra nya gener till växter.

A. tumefaciens infekterar en skadad växt oftast i övergången mellan rot och skott och orsakar krongallsjuka. Vid infektionen överför bakterien några av sina gener till växten. De nya generna påverkar växtens nivåer av tillväxtreglerande ämnen, vilket för att växtcellerna delar sig okontrollerat och bildar en tumörliknande utväxt. Med några andra bakterie-gener börjar växten tillverka näring till bakterien i form av opiner. På så sätt skapar A. tumefaciens sin egen näringskälla när den förändrar växtens genom.

Agrobacterium tumefaciens är en bakterie som modifierar växter genetiskt. Modifieringen leder till att en tumörliknande utväxt bildas och att växtcellerna tillverkar näring till bakterien. Bild från Depositphotos.

Evolutionära genvägar med horisontell genöverföring

Även om det inte är ett vanligt fenomen hos eukaryota organismer, så verkar horisontell genöverföring ha spelat en stor roll för utvecklingen av arter. En enda genöverföring som ger en organism en stor fördel kan räcka för att artens utveckling ska ta en helt ny riktning. Här följer några exempel på det.

Gener från bakterier hjälpte växter upp på land

De första växterna utvecklades från vattenlevande alger. För att kunna leva på land behövde de nya egenskaper, bland annat skydd mot uttorkning.

Forskare har sekvenserat och analyserat genomet hos de två grönalgerna Spirogloea muscicola och Mesotaenium endlicherianum. Resultaten visar att algerna är nära släkt med de första landväxterna. Forskarna kunde också identifiera ett antal gener som hjälper landväxter att tåla stressfaktorer som uttorkning. Generna verkar ha uppstått eller utvecklats hos den gemensamma förfadern till dessa alger och landväxterna.

Generna har stora likheter med gener som finns hos jordlevande bakterier. Det tyder på att de kan ha överförts från bakterier till algernas förfäder genom horisontell genöverföring för mycket länge sedan. Efter överföringen blev generna en del av algernas genom och gav algerna egenskaper som hjälpte dem att ”ta steget” upp på land.

Ormbunkar klarar livet i skuggan

De flesta växter känner av och växer mot blått ljus, men ormbunkar lever ofta i skuggan under andra växter där ljuset innehåller mer rött ljus. Ormbunkars förmåga att trivas under dessa betingelser har kopplats till utvecklingen av en gen som kallas neokrom. Denna gen har inte utvecklats hos ormbunkarna själva utan överförts från nålfruktsmossa genom horisontell genöverföring.

Genen är en sammanslagning av två gener. Ursprungligen producerade den ena genen ett protein som känner av blått ljus och den andra ett protein som känner av rött. Neokrom ger ormbunkarna en större förmåga att ta till vara ljus och tros ha haft en stor betydelse för utvecklingen av den mångfald som finns bland ormbunkar.

Insekt som tolererar växtgift

Växter producerar en rad giftiga ämnen för att skydda sig mot skadeinsekter och andra angripare. Trots detta kan många insekter äta växter utan att ta skada.

Forskare har upptäckt att en sorts lus som kallas för vita flygare har fått en växtgen via horisontell genöverföring. Genen kodar för ett protein som hjälper insekten att oskadliggöra eller tåla växternas giftiga ämnen. Tack vare denna gen kan vita flygare äta växter som annars skulle vara giftiga.

Forskarnas teori är att genöverföringen skedde när en lus ätit av en virusinfekterad växt och fått i sig både virus och växt. Viruset integrerade då en gen från växten i vita flygarens genom. Eftersom genen gav den vita flygaren den fördelaktiga egenskapen att stå emot växtgift, så spred sig genen inom arten.

Transposoner är gener som hoppar

Transposoner är DNA-sekvenser som har förmåga att kopiera sig själva och klistra in sig på ett nytt ställe i genomet. Det har en nära koppling till horisontell genöverföring eftersom de ibland kan flytta genetiskt material mellan olika arter. De fungerar då som bärare av gener och kan föra med sig DNA från en organism till en annan.

Transposoner bidrar också till genetisk variation. Om en transposon hamnar mitt i en gen kan genen slås av helt eller uttrycket från genen förändras. De olika färgerna på prydnadsväxten ”Blomman för dagen” beror nästan uteslutande på transposoner, liksom den ovala formen på vissa tomatsorter.

Referenser