그들은 처음에는 보이지 않습니다. 동남아시아 산림 주택에서, 그들은 얇은 세포로 자라며, 외국 섬유는 때때로 10 미터가 넘는 길이가 10 미터가 넘습니다. 현미경에서도 단일 파일의 세포 라인은 포도 나무 자체와 거의 구별 할 수 없습니다. 그들은 식물보다 곰팡이처럼 보입니다.
그러나 번식하려는 드라이브가 그들을 깨울 때, Rafflesiaceae 가족의 구성원들은 폴카 점으로 덮인 엄청나고 강력하고 고무가 많은 빨간 "시체 꽃"으로 분화되며, 썩은 고기 파리를 그리는 데 고기 고기와 같은 부패한 냄새가납니다. 한 종의 꽃, rafflesia arnoldii , 세계에서 가장 큰 꽃입니다. 각각은 1 미터 이상이고 무게가 10 킬로그램의 무게가 될 수 있으며, 대략 유아의 무게입니다.
10 년 전, Rafflesiaceae 기생충은 브루클린의 롱 아일랜드 대학교 (Long Island University)의 진화 식물 생물학자인 Jeanmaire Molina의 시선을 사로 잡았습니다. 그녀의 초기 조사는 그들이 제안했다고 제안했다. 그녀와 그녀의 동료들이 2014 년 분자 생물학 및 진화의 논문에서 설명했듯이 , 그들은 필리핀 종의 rafflesia 에서 미토콘드리아 DNA를 성공적으로 조립했습니다. . 그러나 그들은 엽록체에서 기능성 유전자를 감지 할 수 없었습니다. 식물은 단순히 전체 엽록체 게놈을 버린 것처럼 보였습니다.
거의 생각할 수 없었습니다. 엽록체는 음식을 만드는 데 빛을 사용하는 것으로 가장 잘 알려져 있지만 Plastids라고 불리는 모든 음식 만들기 소기관과 마찬가지로 많은 주요 세포 과정에 관여하는 유전자가 포함되어 있습니다. Molina는 말라리아 기생충조차도 여전히 플라스틱 게놈을 가지고 다니고 있으며, 마지막 광합성 조상은 수억 년 전에 살았습니다.
이 충격적인 발견은 이제 하버드 대학교의 독립적 인 연구팀에 의해 확인되었습니다. 최근에 출판 한 Rafflesiaceae 제품군의 다른 구성원을위한 게놈 초안은 현재 생물학 기생충이 불필요한 유전자를 흘리게하고 호스트로부터 유용한 새로운 유전자를 얻는 데 얼마나 멀리 갈 수 있는지 보여주는 놀라움으로 가득합니다. 또한 진화 적 변화를 가능하게하는 단백질을 암호화하지 않는 고도로 이동성 유전자 요소의 역할에 대한 신비가 심화됩니다. 아마도이 연구의 가장 큰 교훈은 우리가 유전체학, 특히 식물, 기생충에 대해 얼마나 많이 배워야하는지 - 모든 알려진 종의 40% 이상을 포함하는 유기체의 범주
입니다.승리로 패배
Molina와 마찬가지로 Harvard University의 유기체 및 진화 생물학 교수이자 Harvard University Herbaria의 혈관 식물 큐레이터 인 Charles Davis는 Rafflesiaceae를 연구하는 데 이끌 렸습니다.
그는 거의 15 년 동안 많은 비밀을 밝히려고 노력해 왔지만 핵 게놈 서열은 항상 애매한 것으로 판명되었습니다. 마지막으로, 그의 박사 과정 학생 Liming CAI (현재 리버 사이드 캘리포니아 대학교의 체계적인 생물학의 박사후 연구원)는 프로젝트를 이끌어 내고 대학의 정보학 그룹과 생물 정보학 담당 이사 인 Timothy Sackton의 도움으로 팀은 마침내 sapria himalayana 의 초안을 구성 할 수있었습니다. , 인간 머리 크기의 꽃이 피는 종.
Sapria 의 게놈은 다른 많은 기생충 식물 (그리고 더 일반적으로 기생충)에서 볼 수있는 몇 가지 경향을 따릅니다. 그들처럼, sapria 자유 생활 친척들에게 필수적인 것으로 간주되는 많은 유전자들과 함께했습니다. 기생충은 숙주에서 훔쳐서 본질적으로 신진 대사의 노동을 아웃소싱하므로 독립적 인 식물 세포의 움직이는 생화학 적 부분이 필요하지 않습니다.
.그럼에도 불구하고, 데이비스는 식물 계보에 걸쳐 널리 보존 된 유전자의 거의 절반이 sapria에서 사라 졌다는 것을 알게되어 충격을 받았다. 그것은 dodders (Genus cuscuta )라고 불리는 기생 식물에서 잃어버린 유전자보다 두 배 이상입니다. ), 시리얼 킬링 마녀의 손실의 4 배 ). "우리는 손실이있을 것이라는 것을 알았지 만 우리는 그것이 유전자의 44%에 달할 것이라고 생각하지 않았습니다."
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그리고 그것은 Molina의 rafflesia 에 대한 전체 플라스티드 게놈의 놀라운 삭제에 추가됩니다. 제안했다. 게놈이 폴리 토멜 속에서 단일 세포 조류라는 사실을 제조 한 것으로 알려진 유일한 다른 유기체 주변의 물에서 생계를 흡수하기 위해 광합성을 포기했습니다.
Molina는 rafflesia 이기 때문에 팀이“위로”를 발견했지만 혼란 스러웠다 고 말했다. 여전히 그들의 구획을 만드는 것 같습니다. “우리가 전자 현미경 연구를했을 때, 우리는 plastids를 발견했습니다.”라고 그녀는 말했습니다.“따라서 Plastids가 비어있는 것은 매우 기괴합니다.”
.Sapria 또한 다른 유전자 구석을 자른 것 같습니다. 식물은 많은 유전자 내에서 DNA의 비 코딩 스트레치를 결실시켰다. 인트론이라고 불리는이 영역은 생산 된 실제 단백질을 코딩하는 유전자의 일부 사이에 산재되어 있습니다.
sapria 처럼 들릴 수 있습니다 그리고 그 친족은 단순히 게놈을 더 작고 효율적으로 만들었습니다. 그러나 역설적으로, sapria 의 게놈은 크다 :총 3.2 ~ 3.5 기가 바스의 DNA가 우리와 거의 같은 크기입니다. 게놈을 채우는 것은 무엇입니까?
도난의 삶
우선, 도난당한 유전자가 들어 있습니다. Davis의 팀은 식물 유전자의 최소 1.2%가 다른 종, 특히 과거와 현재의 숙주에서 나온 것으로 추정했습니다. 그것은 인상적이지 않을 수도 있지만, 이런 종류의 수평 유전자 전달은 박테리아 밖에서 매우 드문 것으로 간주됩니다. 따라서 이런 식으로 발생하는 유전자의 한 %조차도 눈썹을 높입니다.
이 기생충은 수천 년 동안 유전자를 훔치고 있기 때문에 그들의 게놈은“거대한 DNA의 묘지”와 같습니다. 그 묘지를 조심스럽게 파고 그 내용물을 잠재적 인 호스트처럼 보이는 10 가지 유형의 덩굴의 게놈과 비교함으로써 Cai와 그녀의 동료들은 시간을 돌릴 수있었습니다. "이러한 수평 전이 유전자는 DNA 화석 역할을하고 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.
그녀는이 화석들로부터“아마도 중반으로 거슬러 올라가는 멸종 된 호스트-파라 시트 협회”를 발굴했다. 오늘날, 약 4 개의 알려진 Rafflesiaceae 종은 모두 단일 속의 vines, tetrastigma . 그러나 기생충이 감염되기 훨씬 전에 tetrastigma , 그들은 Peppervines에서 감염되고 도난당한 것 같습니다 (Genus ampelopsis ). 이런 종류의 생태적 역사는 돌이 화석으로부터 추론하기가 불가능하지만 기생충의 꽃은 오래 가지 않으며, 식물의 얇고 실과 같은 유골은 화석화되지 않을 것입니다.
반복에 대한 진화
그러나 도난당한 유전자는 sapria 의 냉담한 부분만을 나타냅니다. 거대한 게놈. IT의 대부분은 트랜스 포손 (트랜스 포손 또는 "점프 유전자"라고도 함)이라는 DNA 서열의 사본으로 구성됩니다. Sackton은“이 식물의 게놈은 90% 반복 요소와 같습니다.
그 높은 수준의 반복은 실제로 Davis가 sapria 의 초안 게놈을 조립하기 위해 오랫동안 고군분투 한 이유입니다. . 지난 10 년 동안, 게놈 시퀀싱 기술은 너무 많은 구별 할 수없는 반복적 인 서열을 갖는 DNA에 의해 쉽게 스티임을 뿌렸다. Sackton은“이것은 모든 조각이 정확히 같은 모양 인 완전히 맑은 푸른 하늘의 퍼즐을 시도하는 것과 같습니다. "할 수있는 방법이 없습니다."
그러나 CAI와 동료들은 현재 시퀀싱 기술을 활용할 수 있었으며, 이는 훨씬 더 오래 (그리고 더 독특한) DNA를 처리 할 수있었습니다. 그럼에도 불구하고, 그들은 추정 한 바에 만 재구성 할 수있었습니다. 게놈 - 나머지는 여전히 너무 반복적이었습니다.
세인트 루이스에있는 도널드 댄포스 플랜트 과학 센터의 식물 생물학자인 Saima Shahid는 식물에서 이체 가능한 요소의 기능을 연구하는이 풍부한 양도 요소가 눈에 띄고 있다고 말합니다. Dodders에서 보이는 것은 약 두 배입니다. 그리고 현재까지 시퀀싱 된 다른 식물 기생충에서, 지배적 인 원소는“레트로 트랜스 포손”이며, 먼저 RNA로 전사함으로써 게놈 내에서 이동한다. Sapria 그러나, 주로 게놈에 직접 복사하여 붙여 넣는 DNA 트랜스 포손으로 채워진다. Shahid는“이것은 매우 흥미롭고 특이한 것입니다
그러나 왜 sapria 처음 에이 점프 유전자가 너무 많습니까? 아무도 확실하지 않지만 대답은 기생충 유전체학에 대한 우리의 이해를 변화시킬 수 있습니다.
전이성 요소는 "이기적인"유전자로 간주됩니다. 그들은 그들이 점유하는 게놈을 희생 시키면서도 복제합니다. 이런 이유로, 숙주 게놈은 일반적으로 그들의 발현에서 고안되었다. Shahid는“대부분은 침묵을 목표로합니다. Rafflesiaceae에서 어떤 규제가 어떻게 든 엉망이되었거나 기생충이 이러한 요소가 뛰어 다니는 데 약간의 이점을 찾는 것 같습니다.
Cai, Davis 및 Sackton은 트랜스 포손의 초능량 이이 기생충이 이끄는 고립 된 삶의 결과라는 직감을 가지고 있습니다. Rafflesiaceae는 tetrastigma 에만 침입하기 때문입니다 덩굴, 각 포도 나무 패치는 실제로 기생충 주민을 분리하는 무인도입니다. 성장이 제한되고 외부에서 유전자 흐름이 거의없는 소규모 인구의 경우, 덜 유전적인 유전자 특징은 확률로 더 흔해질 수 있습니다. CAI는“시간이 지남에 따라 축적된다.
또 다른 가능성은 기생충이 점프 유전자가 점프하는 것을 막을 수 없다는 것입니다. 이 요소들 중 일부는 호스트에서 나왔으며 기생충의 유전자 기계가 즉시 그들을 인식하고 침묵시키지 못할 정도로 다를 수 있습니다. Sackton은“이것은 기본적으로 침략적인 종과 같습니다
또한 기생충이 얼마나 많은 유전자 물질을 얻는지를 감안할 때 쓸모없는 DNA의 추가 부담에 대한 내성을 높이는 적응을 발전 시켰으므로 이러한 점프 유전자를 제거하기위한 선택 압력이 충분하지 않습니다.
.그러나 Shahid에게는 유전자의 손실, 유전자 내의 비 코딩 서열 및 전체 플라스 티드 게놈과 함께 많은 간소화 징후를 보이는 게놈이 게놈 사망에 대한 블라스가 될 것입니다. 더 나쁜 것은, 트랜스처 시브 요소는 위험하다.“당신은 그들을 침묵시키기 위해 많은 에너지를 소비해야한다”고 말했다. 그녀는이 트랜스 포손이 기생충을 위해 무언가를하고있을 가능성이 더 높다. 문제는 무엇입니다.
그들의 존재는 도난당한 모든 유전자와 관련이있을 수 있습니다. Shahid는 트랜스 포손이 점프 할 때 종종 근처의 DNA를 가져옵니다. "이러한 트랜스처 시브 요소는 유전자 조각을 운반 한 다음 자신의 게놈에 삽입하는 데 도움이 될 수 있습니다."라고 그녀는 말했습니다.
트랜스 포손은 기생충이 생존 해야하는 수평 유전자 전달 엔진 일 수 있습니다. 예를 들어, 기생충이 숙주의 중요한 유전자 조절제를 훔치는 데 도움이 될 수 있습니다.
자연 의 2018 논문에서 , Shahid와 그녀의 동료들은 Field Dodders라고 불리는 기생 식물이 작은 마이크로 RNA 분자를 주변 숙주 세포로 수출하여 호스트의 유전자의 일부 유전자에 대한“OFF”신호로 수출한다는 것을 보여 주었다. 이러한 microRNA 대조군은 점프 유전자의 도움으로 기생충에 들어갔을 수 있습니다. (그러나 sapria 을 아직 조사한 사람은 아무도 없었습니다 그리고 친척들은 휴면 단계에서 마이크로 레나를 수출합니다.)
트랜스 포손은 다른 방식으로 유전자 조절에 영향을 줄 수 있습니다. 예를 들어 인트론에 삽입되면 유전자의 발현을 향상 시키거나 유전자를 차단하도록 억제제를 안내 할 수 있습니다. sapria , 모든 인트론이 길이가 감소 된 것은 아닙니다. 일부는 거의 100 킬로베이스로 확장되어 모든 식물에서 가장 오래 알려진 인트론이됩니다. 그리고 트랜스처 쉬 요소는 모든 확장의 74%를 담당합니다.
Shahid는 전이성 요소로 인해 게놈의 덩어리가 움직일 수 있으며, 이는 위험하게 불안정하게 될 수 있지만 유전자 복제와 혁신으로 이어질 수 있다고 Shahid는 말했다. 기생충이 호스트의 방어보다 한 걸음 앞서있을 수 있습니다. Transpossons는 Rafflesiaceae의 독특한 특징 중 일부를 책임질 수 있습니다. Molina는“큰 꽃과 관련이 있는지”궁금해하기 시작했습니다.
.더 많은 정보가 없다면, Rafflesiaceae의 트랜스 포블 요소의 거대한 캐시가 얼마나 기능적인지와 게놈 혼합물이 얼마나되는지 알 수 없습니다. Shahid는이 모든 것의 맨 아래에 도달하는 한 가지 방법은 다른 게놈 특징과 관련하여 다른 종류의 트랜스 포블 요소가 어디에 있는지 자세히 살펴볼 수 있다고 말했다. 그것은 요소가 유전자 발현에서 중추적 인 역할을하는지 여부를 밝히는 데 도움이 될 수 있습니다. 그녀는 또한이 트랜스 포블 요소가 게놈에서 잠재적 인 기능에 대한 단서를 줄 수 있기 때문에 이러한 트랜스 포블 요소가 표현되는지 (또는 더 가능성이있는 경우)보고 싶습니다.
.호기심을 키우는
이 꽃의 이상한 점에 대한 추가 연구는 우리에게 Plastids에서 점프 유전자에 이르기까지 모든 것에 대해 많은 것을 가르쳐 줄 수 있지만 식물의 부족으로 인해 이러한 질문을 훨씬 더 어렵게 만듭니다. Molina는 그것들을 찾는 데 종종 위험한 정글에 깊이 들어가는 시간이 포함된다고 설명했다. 필리핀에서는 무장 한 반란군이 종종 숨겨져있는 숲에서 발견됩니다.“우리는 시장이 안전을 위해 시장과 협력해야합니다. 그리고 잔인한 현장 작업을 제외하고,이 꽃이 자라는 나라는 종종 수출을 제한합니다.
희귀 성 때문에 Molina는 워싱턴 D.C.의 미국 식물원과 협력하여 이러한 기생충과 호스트 포도 나무를 국내로 배양하고 있습니다. 워싱턴에서 성장하고 피는 것을 동축시켜주는 것은 대중의 눈으로 가져갈 것이며, 사람들이 직접 볼 수있게하면 보존 노력에 도움이되고 훨씬 더 상세한 연구를 가능하게 할 것이라고 생각합니다. 그러나 지금은 식물이 어떤 식물이 될 수 있는지에 대한 정의를 늘리는이 기생충이 비밀을 유지하고 있습니다.
