Üha ilmsemaks saab bakterite komme vahetada omavahel sageli geene ja terveid geenirühmi. See aitab neil asustada äärmuslikke keskkondi, näiteks kuumaveeallikaid, paraku ka võitluses inimestega. Esialgu tundub, et muudes eluslooduse harudes tuleb säärast geenirännet ette harvemini – võibolla lihtsalt seetõttu, et neid on veel vähe uuritud.

Oleme harjunud teadma, et geenid päranduvad vanematelt lastele. Sellist geneetilise info ülekannet nimetatakse vertikaalseks. Vertikaalse geeniülekande puhul saab fülogeneesi kujutada puuna, kus iga liik hargneb oksana välja temaga lähedases suguluses olevast eellasrühmast (# 1A).

DNA-järjestusi analüüsides on aga saanud selgeks, et leidub ka teine võimalus: geenid võivad üle kanduda peale järglaste ka muudele elusolenditele. Sellist geenide ülekandeteed nimetatakse horisontaalseks ehk lateraalseks. Kui horisontaalset geeniülekannet tuleb evolutsiooni käigus ette väga sageli, siis ei ole fülogeneesi enam võimalik kujutada puuna, vaid pigem võrgustikuna (# 1B).

Kuidas horisontaalset geeniülekannet kindlaks teha? Geenide DNA-järjestusi või geenide kodeeritavate valkude järjestusi võrreldes saab selgitada, millised geenid või valgud sarnanevad omavahel sedavõrd, et on tõenäoliselt lähedases suguluses, s.t. evolutsioonis lahknenud alles hiljuti. Vertikaalse geenide liikumise puhul sarnanevad vaadeldava olendi geenid enim tema lähimate sugulaste omadega. Horisontaalset geeniülekannet näitab aga see, kui olendi mõnd geeni ei leidu tema lähisugulastel, ent see sarnaneb mõnes temast kauges evolutsiooniharus leiduva geeniga.
Et teavet genoomide järjestuste kohta on viimastel aastatel kiiresti kogunenud, saab nüüd hakata hindama ka horisontaalselt üle kandunud geenide sagedust eri olendite ja olendirühmade genoomides.

Kuidas geen horisontaalselt üle kandub? Võimalik, et kõiki horisontaalse DNA-ülekande mehhanisme ei ole veel välja selgitatud. Praeguste teadmiste põhjal võime eristada kahte enam levinud liiki: transformatsioon ja transduktsioon [11].
Transformatsiooni puhul võtab rakk sisse teda ümbritsevas keskkonnas n.-ö. lahtiselt oleva DNA ja liidab selle oma genoomi (# 2A). Aeg-ajalt satub raku keskkonda pärilikkusainet näiteks siis, kui samas keskkonnas elavad organismid surevad ja purunevad [13].
Transduktsiooni puhul kannavad geene edasi viirused (# 2B). Paljud viirused liidavad rakku sisenedes oma DNA peremeesraku genoomi ning genoomist lahkudes ja rakust väljudes võtavad koos oma genoomiga kaasa ka peremehe geene. Uude peremeesrakku sisenedes on neil niiviisi kaasas eelmise peremehe geenid ja need võivad uues peremehes alles jääda ning toimima hakata.
On muidki geeniülekande mooduseid. Näiteks bakterite puhul konjugatsioon (# 2C), kus DNA liigub ühest bakterirakust teise lausa spetsiaalse ülekandesüsteemi abil. Eukarüootide ehk päristuumsete puhul võivad uued geenid sattuda peremeesraku tuuma pärast endosümbioosi teket (# 2D), millest tuleb peatselt juttu.

Prokarüootidel ehk eeltuumsetel ei ole rakutuuma, s.t. DNA ja tsütoplasma ei ole üksteisest eraldatud membraanidega. Prokrüootide hulka kuulub kaks suurt eluslooduse rühma: bakterid ja arhed (# 3). Arhede nimetusena oleme Eesti Looduse veergudel pakkunud välja ka ürgid [12].
Geenijärjestusi võrreldes on leitud, et termofiilsetel, s.t. kõrgel temperatuuril (üle 45 ºC) elutsevatel bakteritel ja arhedel leidub ühiseid geene, mis puuduvad nende sugulastel, kes elutsevad madalamal temperatuuril. See näitab, et samas elukohas ja ökonišis, antud juhul näiteks kuumaveeallikates koos elavad organismid võivad üpris kergesti üksteiselt geene üle võtta. Niiviisi omandatud geenid võimaldavad äärmuslikus ökonišis edukalt hakkama saada.
Esialgsete hinnangute järgi võib umbes viiendik termofiilsete bakterite geenidest olla pärit arhedest [7]. Samuti võivad geenid liikuda termofiilsetelt bakteritelt arhedele, kuigi see protsess on vähem ulatuslik või ehk ka praeguste uurimuste käigus lihtsalt vähem kirjeldatud.

Geenijärjestuste põhjal on selgunud ka bakterite DNA erakordne muutumisvõime ehk plastilisus [7]. Väga jämeda hinnanguna võib öelda, et vaid umbes kümnendik ühe bakteri genoomis leiduvatest geenidest on sellised, millele sarnased geenid (nn. homoloogid) on olemas ka enamikul teistel bakteritel. Tavaliselt kodeerivad need geenid geneetilise info hoiu ja ülekande komponente: DNA polümeraasi, RNA polümeraasi, ribosoomi osi jne.
See bakterigenoomi n.-ö. tuumikkomplekt enamasti ei „rända” ega duplitseeru. Muudes protsessides osalevaid saadusi tootvad geenid võivad aga suhteliselt sageli horisontaalselt liikuda, leiduda ühe või mitme koopiana või hoopis puududa.
Ootamatult mitmekesised on genoomid isegi sellistes bakterirühmades, mida tavapäraselt peetakse üheks liigiks. Kirjeldatud on äärmuslikke juhte, kus ühe bakteritüve genoomis on kogu liigile omaseid geene ainult 40%.
Näiteks võrreldes soolekepikese (Escherichia coli) patogeenset ehk haigusi tekitavat ja mittepatogeenset ehk kahjutut tüve, leiti, et patogeensele tüvele on lisandunud ligi 1400 geeni, umbes kolmandik kogu genoomist.
Lisandunud geenid kodeerivad haiguse tekkeks vajalikke valke: näiteks mürke ehk toksiine ja nn. transportereid (valke, mis aitavad mingitel ainetel läbida rakumembraane). Need patogeensusgeenid ei ole sisenenud kromosoomi väikeste juppidena, vaid suurte, kümneid geene hõlmavate lõikudena, mida nimetatakse patogeensussaarteks.
Üldiselt tundubki, et sellised spetsiaalsetes ökoniššides vajalikud „lisageenid” kanduvad horisontaalselt sagedamini üle kui geenid, mis on vajalikud kõigile bakteritele. See näib ka loogiline, sest paljud bakterid vahetavad tihti oma elukeskkonda ja uues keskkonnas võivad paljud seni vajalikud geenid osutuda kasutuks. Nii on otstarbekas lasta neil evolutsiooni käigus kaduma minna ja omandada uusi.
Huvitav on märkida, et siiski ka üldvajalikud geenid võivad kanduda horisontaalselt, sääraseid näiteid leidub geenide seas, mis kodeerivad nii aminoatsüül-tRNA süntetaase, ribosoomi valke kui ka RNA polümeraasi alaühikuid.
Üksikute horisontaalselt üle kandunud geenide levikut ja kinnistumist populatsioonis peaks piirama see, et üksik geen ei anna tavaliselt organismile veel uut toimet. Näiteks tihti tuleb uues keskkonnas kasutada uudset toitepinnast ehk substraati, mille lagundamine nõuab aga mitme geeni saadusi. Või vajab patogeenne bakter haiguse tekitamiseks lausa väga paljude geenide saadusi.
Bakterite puhul tõhustab horisontaalset ülekannet see, et sama toime tarbeks vajalikud geenid paiknevad tihti operonides, s.t. asuvad DNA-ahelas kõrvuti ja nende avaldumist reguleerib (teisisõnu, neid käivitab või pidurdab) ühine mehhanism. Seega on lihtne teise bakterisse kanda üle kogu operon. Sellega koos kandub üle näiteks kogu ainevahetus- ehk metabolismirada, s.t. mingit elutähtsat ainet tootvate keemiliste reaktsioonide jada.
Oluline on märkida, et erinevalt näiteks loomadest on bakterid haploidsed, s.t. igat geeni leidub vaid ühes korduses ja paljunemisega ei kaasne geneetilist rekombinatsiooni, s.o. seksi selle bioloogilises tähenduses. Seetõttu arvati kunagi, et bakterite evolutsioon käib üksnes klonaalsete populatsioonide tekke kaudu: iga bakterirakk saab kogu DNA oma eellasrakult ja mingit isenditevahelist rekombinatsiooni ei toimugi.
Nüüd on aga selgunud, et paljudes bakterirühmades leiab rekombinatsioon aset hoopis märksa sagemini kui eukarüootidel [2]. Lähedaste bakteriliikide DNA rekombineerub väga tihti nii konjugatsiooni, transformatsiooni kui ka transduktsiooni teel.
Seetõttu on ka bakterite liigid teistsuguse iseloomuga kui näiteks loomaliigid: liikide piirid on väga hägusad, mõneti tundub, et liike ei olegi olemas. Kui paarkümmend aastat tagasi arvati, et bakterite omapära põhjustab see, et rekombinatsiooni tuleb ette harva, siis praegu tundub just vastupidi, et bakteriliikide eripära tuleneb väga sagedasest rekombinatsioonist ja horisontaalsest ülekandest [2].
Tähelepanelik lugeja märkas, et siiani oli juttu küll bakteritest, kuid maha on vaikitud teine prokarüootide suurrühm, arhed. Kuna bakterid põhjustavad inimese haigusi, on neid lihtsalt märksa rohkem uuritud kui arhesid: nii on ka teavet horisontaalse ülekande kohta nende seas rohkem. Arhede horisontaalse geeniülekande kohta teatakse ilmselt väga vähe.

Bakterite ja arhede kõrval tuleb horisontaalset geeniülekannet ette ka kolmandas eluslooduse suurrühmas: eukarüootides ehk päristuumsetes. Ühelt organismilt teisele ei pruugi kanduda vaid geenid. Võib juhtuda, et üht liiki rakk satub tervenisti elama teist liiki raku sisse ja lõimub seal püsivalt peremeesrakuga. Sel moel on tekkinud mitokondrid, mida leidub kõigi eukarüootide rakkudes, samuti plastiidid taimedel [5].
Esialgu tekkis peremeesraku ja selle sisse sattunud raku vahel sümbioos, vastastikku kasulik püsiv kooselu. Säärast sümbioosi vormi, kus üks osaline on asunud elama teise sisse, nimetatakse endosümbioosiks. Mitokondrite puhul oli sisenejaks ehk mitokondrite eellaseks alfa-proteobakter. Plastiidide eellane oli tsüanobakter ehk sinivetikas (# 3).
Ajapikku muutus sümbioos nii tugevaks, et partnerid ei suutnud enam üksteiseta elada. Nii tekkisidki mitokondrid, mis võimaldavad energia tootmiseks kasutada hapnikku, s.t. hingata, ning plastiidid, mis võimaldavad toota päikeseenergia jõul süsihappegaasist ja veest orgaanilisi aineid.
Tänapäevastel mitokondritel ja kloroplastidel on säilinud oma genoom. Ometi on enamik esialgse endosümbiondi geenidest ümber kolinud tuuma ja seadnud end sisse peremeesraku geenijärjestusse (# 2D). Seda võib vaadelda ulatusliku horisontaalse geeniülekandena [5]. Sääraste ülekandunud geenide kodeeritud valgud tehakse valmis peremeesraku tsütoplasmas ning alles seejärel viiakse kasutusse mitokondrisse või kloroplasti.
Paljudes üherakuliste eukarüootide rühmades on sageli ette tulnud ka üksikute geenide horisontaalset ülekannet. Näiteks mäletsejate maos elavad ripsloomad on saanud bakteritelt horisontaalse ülekande teel keskmiselt umbes 4% oma geenidest [9]. Nii sageda geeniülekande põhjusena on oletatud ripsloomade toitumisviisi, fagotsütoosi, mille käigus haarab ripsloom bakterid rakku sisse ja lagundab seal. Nii jääb ripslooma sees “laokile” bakteri DNA, mis võib sattuda tema kromosoomi. Ilmselt sel moel ongi ripsloomadele üle kandunud paljud geenid, mis aitavad neil karmis maokeskkonnas hakkama saada.

Horisontaalne geeniülekanne hulkraksetes olendites. Üherakuliste eukarüootide puhul on võrdlemisi lihtne ette kujutada, kuidas horisontaalset üle kandunud geenid järglastele päranduvad ja populatsioonis püsima jäävad. Olukord on teine mitmerakulistes organismides, kus idutee on eraldatud, s.t. sugurakud ja nende eellasrakud ei vaheta geneetilist infot muude keharakkudega. Kui võõras DNA lülitubki suvalise keharaku genoomi, siis järglasorganismidesse see ju ometi ei pärandu. Siiski on teada juhtumeid, kus horisontaalselt üle kandunud geenid on evolutsioonis püsima jäänud ka selgelt eraldatud iduteega eukarüootides.
Näiteks bakter Wolbachia parasiteerib putukate munarakkudes, levides emaputukast järglastesse nakatunud munade kaudu. Et isased putukad ei mune, sobivad Wolbachia levikuks ainult emased. Huvitaval kombel suudab see bakter mõjutada munade sugu, nii et nakatunud munadest kooruvadki sagedamini just emased. Kuna nakatuvad idutee rakud, siis tekib võimalus horisontaalseks geeniülekandeks. See võimalus on looduses ka teoks saanud. Mõne putukaliigi puhul on koguni leitud, et kogu Wolbachia genoom on liitunud putuka genoomi [4]. Samuti on täheldatud, et paljud sellise “integreerunud parasiidi” geenid tõepoolest toimivad, s.t. neilt toodetakse valke. Kas sellest peremehele ka mingit kasu või kahju on, ei ole praeguseks teada.

Horisontaalse geeniülekande sagedus selgroogsetes ei ole veel teada [5]. Kui inimese genoomijärjestus mõned aastad tagasi kindlaks tehti, siis väideti, et bakteritest selgroogsete genoomi võib olla hiljuti tulnud koguni sadakond geeni. Nüüdseks on selge, et kõnealuses uuringus tehti tehniline viga ja nii ulatuslikult ei ole geenid siiski üle kandunud.

Siiani on juttu olnud ülekandest bakterist eukarüooti, kuid mitte eukarüootidel omavahel. Põhjus on see, et bakterite ja eukarüootide geenijärjestused on küllaltki erinevad: nii on bakterite geene eukarüoodi genoomist suhteliselt lihtne leida. See, kui ühe eukarüoodi genoomi satuvad geenid teiselt eukarüoodilt, ei jäta nii ilmseid jälgi. Sestap ei osata eukarüootide omavahelise geeniülekande määra praegusel ajal veel hästi hinnata.
On leitud ka näiteid geenidest, mis on liikunud eukarüootidest bakteritesse, kuid sellegi protsessi ulatust ei osata veel hinnata [5].
Eespool kirjeldatud teave on saadud, uurides loodusest pärit olendite geenijärjestusi fülogeneetilise analüüsi abil. Teisisõnu, otsides märke juba kunagi varem toimunud horisontaalsest ülekandest. Peale selle on geenide ülekannet uuritud ka katsetega. Hiljuti ilmus huvitav töö, kus ühe tubakataimede liini taimi poogiti teise tubakaliini taimede külge. Seejärel uuriti, kas ja mil määral on valitud geenid pookekoha rakkude vahel üle kandunud. Täheldati, et seda oli juhtunud üpriski palju [10]. Kuivõrd taimed suudavad vegetatiivselt paljuneda, võib pookekohast pärit materjal, näiteks võrsed, anda aluse hübriidsetele taimedele.
Kokkuvõtteks võib eukarüootide kohta öelda, et horisontaalse geeniülekande näiteid leidub hulgi, aga selle protsessi üldist sagedust ja olulisust evolutsioonis ei suudeta veel kuigi hästi hinnata. Siiski tundub, et horisontaalne ülekanne ei ole eukarüootide seas nii sage, et peaksime nende evolutsiooni kujutades asendama fülogeneesipuud võrgustikega, nagu vahel on välja pakutud.

Inimtegevus on loonud olukordi, kus horisontaalne geeniülekanne on äärmiselt hoogne. Antibiootikumid võeti kasutusele 1940. aastatel. Valdav osa antibiootikume toodetakse looduslike mikroorganismide abil: seega olid need ained looduses laialt levinud juba ammu enne, kui inimeste kasutusse jõudsid.
Kui bakter või seen antibiootikumi toodab, siis loomulikult vajab ta mehhanismi, mis teda ennast selle rakumürgi eest kaitseks. Tõepoolest, looduslike mikroorganismide genoomid sisaldavadki geene, mis teevad antibiootikume kahjutuks: nn. resistentsusgeene.
Antibiootikumide lai tarvitus on loonud haigusi tekitavate bakterite seas tugeva loodusliku valiku, mis soosib neilgi resistentsusgeene. Nagu tänapäeval teame, võivad bakteritel geenid horisontaalselt üle kanduda üpris kiiresti. Ja nii ongi juhtunud: resistentsusgeenid liikusid looduslikest mittepatogeensetest bakteritest patogeenidesse [1]. Antibiootikumiresistentsus on haigustekitajate seas kiiresti levinud ning muutunud tõsiseks probleemiks.
Näiteks võib tuua bakteri Staphylococcus aureus, kellest on viimastel aastatel palju räägitud. See olevus elab 20–30% inimeste limaskestadel ja tavaliselt püsib meie kehaga rahujalal. Ent mõned tüved võivad põhjustada haigusi, alates kergetest nahapõletikest kuni raskete kopsupõletike ja sepsise ehk veremürgituseni. Põhilise ravimina sel puhul on viimastel aastakümnetel kasutatud antibiootikumi metitsilliin. Nüüd on aga üha laiemalt hakanud levima metitsilliini-resistentsed tüved (metitsilliini-resistentne S. aureus – MRSA), mida on väga raske välja ravida.
Pärast mitme S. aureus’e tüve genoomijärjestuste väljaselgitamist ilmnes genoomide suur muutumisvõime ehk plastilisus [3, 8]. Genoomist 7% on järjestused, mis on sinna sattunud alles hiljuti, nende seas ka resistentsusgeenid. Omandatud ei ole mitte ainult geene kaitseks metitsilliini eest, vaid ka vähemalt viis muude antibiootikumide suhtes resistentsust andvat geeni!
Resistentsusgeenid ei asetse MRSA kromosoomis hajusalt, vaid rühmadena, moodustades n.-ö. resistentsussaari. Nii ongi üht DNA-juppi horisontaalselt üle võttes omandatud võime panna vastu paljude antibiootikumide toimele. Säärane resistentsusgeenide rühmitumine on teada ka paljudel muudel bakteritel.
Peale antibiootikumide kasutatavad inimesed võitluses bakteritega ka tehismürke: desinfektante. Ka nende talumiseks on bakterid „leiutanud” geene, kusjuures tihtipeale rühmituvad needki kokku antibiootikumiresistentsuse geenidega. Nii on see S. aureus’el ja mitmel muul bakteriliigil: mugav viis toime tulla korraga hulga ohtlike kemikaalidega.
Antibiootikumiresistentsuse levikut pidurdab kindlasti see, kui antibiootikume vähem tarvitada. Võiks loota, et see aitab kaasa ka resistentsuse hääbumisele: kui loodusliku valiku surve geene ei säilita, siis peaksid need ju ajapikku populatsioonist kaduma. Ometi on resistentsus väga visa taanduma. Looduslik valik tekitab resistentseid bakteritüvesid paraku märksa kiiremini, kui need valiku lõppedes kaovad.
Vaieldud on sellegi üle, kas geneetiliselt muundatud olenditest võivad uued geenid horisontaalselt kanduda teistesse olenditesse, tekitades nõnda ootamatute omadustega, võib-olla kahjulikke olevusi. Siiski arvatakse, et hulkraksetel eukarüootidel kanduvad geenid horisontaalselt üle suhteliselt harva, miljonite aastate ajaskaalas. Nii ei tohiks oht olla suur [6].

1. Aminov, Rustam I.; Mackie, Roderick I. 2007. Evolution and ecology of antibiotic resistance genes. – FEMS Microbiol. Lett. 271 (2): 147–161.
2. Fraser, Christophe et al. 2009. The bacterial species challenge: Making sense of genetic and ecological diversity. – Science 323 (5915): 741–746.
3. Hiramatsu, Keiichi et al. 2001. The emergence and evolution of methicillin-resistant staphylococcus aureus. – Trends Microbiol. 9 (10): 486–493.
4. Hotopp, Julie C. et al. 2007. Widespread lateral gene transfer from intracellular bacteria to multicellular eukaryotes. – Science 317 (5845): 1753–1756.
5. Keeling, Patrick J.; Palmer, Jeffrey D. 2008. Horizontal gene transfer in eukaryotic evolution. – Nat. Rev. Genet. 9 (8): 605–618.
6. Keese, Paul 2008. Risks from gmos due to horizontal gene transfer. – Environ. Biosafety Res. 7 (3): 123–149.
7. Koonin, Eugene V.; Wolf, Yuri I. 2008. Genomics of bacteria and archaea: The emerging dynamic view of the prokaryotic world. – Nucleic Acids Res., 36 (21): 6688–6719.
8. Kuroda, Makoto et al. 2001. Whole genome sequencing of meticillin-resistant staphylococcus aureus. – Lancet 357 (9264): 1225–1240.
9. Ricard, Guénola et al. 2006. Horizontal gene transfer from bacteria to rumen ciliates indicates adaptation to their anaerobic, carbohydrates-rich environment. – BMC Genomics, 7: 22.
10. Stegemann, Sandra; Bock, Ralph 2009. Exchange of genetic material between cells in plant tissue grafts. – Science 324 (5927): 649–651.
11. Zaneveld, Jesse R. et al. 2008. Are all horizontal gene transfers created equal? Prospects for mechanism-based studies of hgt patterns. – Microbiology 154 (Pt 1): 1–15.
12. Tenson, Tanel; Kisand, Veljo 2002. Eluslooduse mitmekesisus molekulaarsest vaatenurgast. – Eesti Loodus 53 (9): 406–409.
13. Vlassov, Valentin V. et al. 2007. Extracellular nucleic acids. – Bioessays 29 (7): 654–667.