Frank Ryan. Złoty wiek genetyki ewolucyjnej

Kiedy w 1859 roku Darwin opublikował swoją teorię ewolucji w dziele „O powstawaniu gatunków drogą doboru naturalnego", wywołał nią huragan szoku w całym cywilizowanym świecie. Choć w tej pierwszej książce swojego autorstwa wcale nie wspominał lub wspominał niewiele o ewolucji człowieka, to implikacje jego pracy, odnoszące się do ewolucji gatunku ludzkiego, wyraźnie uwidaczniały się w każdej myśli i linijce tekstu. Zważywszy, że nikt nie miał wówczas rzeczywistego pojęcia o mechanizmach dziedziczności, rozumowanie autora wydaje się dzisiaj niezmiernie prorocze. W gruncie rzeczy Darwin wysunął hipotezę, że natura dobiera pewne kluczowe właściwości, czyli „cechy", zwiększające szanse na przeżycie; tak samo hodowcy lub rolnicy od dawna postępują ze zwierzętami hodowlanymi i roślinami uprawnymi, dobierając je pod względem cech, takich jak wielkość ziarna, obfitość runa, umięśnienie, odporność na choroby lub suszę i tak dalej. Jednak przyroda realizuje ten cel w brutalny sposób: przez wyniszczenie.

Większość rodziców, na przykład u zwierząt lub roślin, wydaje na świat o wiele więcej niż dwa osobniki potomne. Mimo to, ogólnie rzecz biorąc, liczba przedstawicieli danego gatunku pozostaje mniej więcej stała. Darwin uświadomił sobie, że potomstwo musi ze sobą rywalizować o rzadkie zasoby i unikać drapieżników. To rodzi zażartą konkurencję w walce o byt; osobniki posiadające nieznaczną przewagę w batalii na śmierć i życie z przyrodą mają większe szanse przeżycia. Jeśli owa przewaga została uwarunkowana dziedzicznie, to jej posiadacze – pod warunkiem, że przeżyją – przekażą ją swojemu potomstwu. Z czasem – a Darwin dobrze wiedział, że ten proces najprawdopodobniej polega na stopniowym gromadzeniu się sumy nieznacznych przewag w bardzo długich okresach – posiadacze owych zalet będą mieli większe szanse i na rozmnażanie się, i ostatecznie na wydanie na świat potomków na tyle różniących się od pierwotnej odmiany rodzicielskiej, iż dadzą początek nowemu gatunkowi. Rozmywanie się dziedzicznej przewagi będzie ograniczone, jeśli wyodrębniający się nowy gatunek zostanie oddzielony od szczepu rodzicielskiego barierą geograficzną, na przykład wskutek rozdzielenia na wyspach albo odseparowania łańcuchem górskim bądź szeroką rzeką. Z czasem nowy gatunek zaczyna odróżniać się pod względem fizycznym i reprodukcyjnym na tyle, by przekazywać wiernie swoje cechy w obrębie własnej populacji.

Hipoteza doboru naturalnego była bardzo prosta i przekonująca. Na różnych wyspach należących do archipelagu Galapagos Darwin obserwował różnice w budowie ptasich dziobów. Wkrótce inni przyrodnicy – których dziś nazywamy biologami – zaczęli zauważać i potwierdzać jego spostrzeżenia u zwierząt i roślin, grzybów, protistów (niegdyś nazywanych pierwotniakami) oraz znacznie prostszych organizmów, takich jak bakterie i wirusy.

Skąd to dziedziczenie

Choć wielu naukowców, zaintrygowanych teorią Darwina, w dużej mierze ją popierało, to niektórzy – w tym wybitny biolog Jean Louis Rodolphe Agassiz, pracujący w Szwajcarii i Ameryce, autor epokowych badań lodowców i wymarłych gatunków ryb – niewzruszenie sprzeciwiali się teorii ewolucji z powodów religijnych. Dawny przyjaciel Darwina, sir Richard Owen, uznany przyrodnik i założyciel londyńskiego Muzeum Historii Naturalnej, również podawał się za przeciwnika teorii ewolucji z przyczyn religijnych, lecz miało się okazać, że stworzył on własne teorie dotyczące tych zagadnień i po prostu nie zgadzał się z darwinowską koncepcją doboru naturalnego, działającego w połączeniu ze stopniowymi zmianami. Darwin dobrze wiedział, że dobór naturalny może działać tylko pod warunkiem istnienia mechanizmów zdolnych do wprowadzania zmian cech dziedzicznych organizmów żywych. Innymi słowy, wymaga on do działania istnienia dziedzicznej zmienności. Tak uzasadniony opór wobec teorii ewolucji, który stawiała sama społeczność naukowa, wynikał z powszechnej wówczas niewiedzy o istocie dziedziczności. W myśl późniejszej opinii sir Juliana Huxleya, wnuka Thomasa Henry'ego Huxleya, który za życia był orędownikiem Darwina, to właśnie ów brak zrozumienia szczególnie utrudniał darwinowskiej teorii pozyskanie zaufania naukowców pod koniec XIX wieku. W początkowych rozdziałach książki „Evolution: The Modern Synthesis" (Ewolucja: współczesna synteza) Julian Huxley dotknął samego sedna problemu: „Dobór naturalny jako reguła ewolucyjna stał się przedmiotem rzeczywiście ważkiej krytyki koncentrującej się na istocie dziedziczonej zmienności".

Trudno krytykować Darwina za to, że nie umiał wyjaśnić mechanizmu powstawania dziedzicznych zmian – za jego czasów nie wiedziano na ten temat prawie nic. Przypuszczał, że dziedziczna zmienność powstaje w wyniku swego rodzaju „łączenia się" cech obecnych u przodków danych rodziców. Pierwsze dwa rozdziały książki „O powstawaniu gatunków" autor poświęcił na wyjaśnienie mechanizmu działania takiego łączenia się, zarówno u zwierząt, jak i udomowionych roślin uprawnych. Jednak z czasem sam Darwin zaczynał odczuwać coraz mniejsze przekonanie, że owo łączenie się cech stanowi wystarczające wyjaśnienie. Czołowy amerykański darwinista, nieżyjący już Ernst Mayr, ujął to następująco: „Pochodzenie tej zmienności intrygowało go przez całe życie". Dzisiaj wiemy, że to, co Darwin rozumiał jako „zmienność", sugeruje jakiś mechanizm bądź mechanizmy dające początek dziedzicznej zmianie materiału genetycznego, czyli genomu. Ponowne odkrycie praw dziedziczenia Mendla spowodowało przełom w zrozumieniu rzeczywistego mechanizmu działania dziedziczności: określone właściwości organizmu, czyli cechy, podlegały dziedziczeniu jako odrębne jednostki genetyczne, które obecnie nazywamy „genami". W 1900 roku holenderski botanik Hugo de Vries zrobił kolejny ważny krok naprzód, doznał bowiem olśnienia – obwieścił, że cechy dziedziczne mogą ulec zmianie wskutek błędów wynikłych podczas kopiowania tychże genów. Oczywista po temu sposobność pojawiała się podczas reprodukcji – błąd w trakcie kopiowania genu dawał początek temu, co de Vries nazwał „mutacją".

W latach dwudziestych i trzydziestych XX wieku rzeczywiste istnienie mutacji potwierdziły eksperymenty laboratoryjne, przeprowadzone przez biologów ewolucyjnych, takich jak Thomas Hunt Morgan, Barbara McClintock i Hermann J. Muller. Mutacja nie była już tylko teoretyczną możliwością, lecz faktem, i to zgodnie z wszelkim prawdopodobieństwem faktem na tyle częstym, że możliwym do przewidzenia na podstawie obliczeń matematycznych. Grono prowadzących badania naukowców na całym świecie zaczęło łączyć ze sobą okruchy opartej na matematyce wiedzy o tym, w jaki sposób dobór naturalny mógł zachodzić w wyniku genetycznych „mutacji w komórkach linii płciowej". Należeli do nich pionierzy genetyki, tacy jak Ronald Aylmer Fisher i John Burdon Sanderson Haldane w Wielkiej Brytanii, Sewall Wright i Theodosius Dobzhansky w Stanach Zjednoczonych oraz Siergiej Siergiejewicz Czetwerikow w Związku Radzieckim.

Pociągi chromosomów

Z perspektywy medycyny mutacje DNA mogą powstawać podczas podziału komórek w ramach normalnych procesów ich wymiany w wielu tkankach i narządach w okresie życia. Są to tak zwane mutacje somatyczne, stanowiące ważny czynnik powstawania różnych rodzajów nowotworów, od białaczek i chłoniaków w układzie krwiotwórczym i tkankach układu chłonnego aż do raka piersi, skóry, nerki czy jelita i tak dalej. Rzeczywistość jest trochę bardziej złożona. Genomy eukariotycznych form życia – zbudowanych z komórek jądrzastych, między innymi zwierząt i roślin – zawierają mechanizmy korygujące takie błędy kopiowania już w momencie ich powstawania, lecz niekiedy może się zdarzyć, że owe mechanizmy zawiodą lub zostaną przełamane.

Specjaliści od genetyki medycznej mogą obecnie wymienić tysiące mutacji komórek linii płciowej, które dają początek wrodzonym problemom zaburzającym wewnętrzne procesy chemiczne organizmu potomnego, padającego ich ofiarą. Wiele takich „wad metabolizmu" powstaje wskutek mutacji pojedynczego genu, lecz niektóre mogą wynikać z mutacji dotyczących grup genów, wadliwych części chromosomów albo braku lub nadmiaru całych chromosomów. Teraz możemy wsiąść do naszego czarodziejskiego pociągu i zwiedzić genom osoby, która miała nieszczęście odziedziczyć mutację dominującą; przyjrzymy się nieco bardziej szczegółowo, jak do niej doszło.

W przyjętym przez nas modelu każdy z 46 chromosomów stanowi oddzielną linię kolejową. Pociągi mogą nią jeździć od początku do końca, ale nie wolno im przejeżdżać na inne linie, gdyż każdy z chromosomów jest odrębną strukturą liniową. Na tę okazję wybieramy podróż linią numer 4 – ludzkim chromosomem o tym właśnie numerze. Dojeżdżamy powoli do odcinka toru z napisem „huntingtyna". Jeśli tu wysiądziemy i uważnie obejrzymy przyległy odcinek toru, dostrzeżemy typową strukturę genu, jaką widzieliśmy podczas wcześniejszej podróży. Mamy tu odcinek DNA z podkładami utworzonymi przez zasady azotowe, oznaczony jako „promotor" genu kodującego huntingtynę. Ta sekwencja, zwykle sąsiadująca z początkiem genu, stanowi genetyczny przełącznik włączający i wyłączający funkcjonowanie genu. Z tego miejsca ruszamy na przechadzkę dalej na wschód wzdłuż toru, w kierunku „sensownym", aż dojdziemy do pierwszego egzonu genu. Kiedy przespacerujemy się trochę dalej wzdłuż toru tworzącego egzon, natkniemy się na coś bardzo dziwnego. Widzimy teraz sekwencje złożone z tripletu zasad: cytozyna–adenina–guanina (CAG), które, jak się wydaje, powtarzają się wielokrotnie w kolejnych podkładach.

„Idźcie dalej – proponuję. – Policzcie te powtarzające się fragmenty".

Ku swojemu zaskoczeniu przekonujecie się, że w pierwszym egzonie genu kodującego huntingtynę znajduje się 45 powtarzających się tripletów CAG, jeden po drugim.

„Ta mutacja wywołuje schorzenie zwane chorobą (lub pląsawicą) Huntingtona, które w wieku dorosłym powoduje pogarszanie się funkcji mózgu".

„Czy to znaczy, że nie powinno być tych powtarzających się fragmentów?".

„To trochę bardziej skomplikowane. Ciekawa rzecz, ale wszyscy mamy w pierwszym egzonie genu kodującego huntingtynę wiele powtarzających się sekwencji CAG. O tym, czy odziedziczymy schorzenie, przesądza dokładna ich liczba. Jeśli mamy od 6 do 34 powtórek, nie dziedziczymy jej. Im więcej powtórek powyżej tej liczby, tym większe prawdopodobieństwo odziedziczenia choroby. Liczba powtórek powyżej 40 niemal w każdym wypadku oznacza chorobę. A im wyższa liczba, tym młodszy wiek pojawienia się objawów".

„Zatem to, co tu widzimy, oznacza złą wiadomość dla tej nieszczęsnej osoby?".

„Niestety, tak. Wszyscy ludzie mają dwie wersje chromosomu czwartego, jedną odziedziczoną od matki i jedną od ojca. Gdybyśmy poszli i obejrzeli drugą wersję odpowiadającego mu chromosomu, przekonalibyśmy się, że jest prawidłowa".

„Innymi słowy, choroba Huntingtona jest, jak to się nazywało... mutacją dziedziczoną w sposób dominujący?".

„Zgadza się. To również oznacza, że gdyby w trakcie badań medycznych odkryto sposób wyłączenia tego uszkodzonego genu, pozostały prawidłowy gen przejąłby jego czynność i choroba, miejmy nadzieję, zostałaby wyleczona".

Mutacje i dobór naturalny

Początkowo uważano, że mutacje dotyczą tylko genów kodujących białka. Jednak kiedy genetycy zrozumieli wielkie znaczenie genów zawierających sekwencje regulatorowe, w tym takich, które kodują białka biorące udział w wewnątrzjądrowej regulacji działania genów, uświadomili sobie, że mutacja obejmująca sekwencję regulatorową wpływającą przykładowo na rozwój zarodkowy również może zaważyć na fizycznym i umysłowym rozwoju potomstwa. W tym miejscu chciałbym wyjaśnić, że niektóre wzorce mutacji niekiedy zmieniają odziedziczoną naturę danego osobnika w korzystny sposób, zwiększający jego szanse na przeżycie. A ponieważ są to zmiany dziedziczne, taka korzystna mutacja zostanie przekazana potomstwu tego osobnika i przyszłym pokoleniom. Nie odnosi się to wyłącznie do ludzi, lecz do wszystkich zwierząt, roślin, grzybów, w istocie do wszystkich organizmów żywych. Ten mechanizm stanowi integralną część sposobu działania ewolucji.

Genetycy ewolucyjni niemal przez stulecie śledzili wkład mutacji genów kodujących białka i genów regulatorowych w powstanie na Ziemi zróżnicowanego życia – od wyłonienia się w toku ewolucji wielorybów i delfinów ze stworzeń żyjących pierwotnie na lądzie aż do pojawienia się zdolności lotu u owadów i ptaków. Odkryli też pewne dowody na wyewoluowanie genów, które mogły się przyczynić do zwiększenia się rozmiarów i stopnia złożoności ludzkiego mózgu. Jednak mutacje nie musiały mieć aż tak spektakularnych skutków. Niewielka zmiana wpływająca, powiedzmy, na czas trwania skutecznej aktywności ludzkiego enzymu trawiennego, takiego jak laktaza, może nam bardzo wiele powiedzieć o historii migracji naszego gatunku. Genetyka ewolucyjna wkracza, jak się zdaje, w swój złoty wiek, gdyż genomy dawno wymarłych przodków, w tym hominidów, które ponoć dawno temu wyginęły, obecnie się wskrzesza i poddaje intensywnym badaniom. Wkrótce zdołamy ustalić z kliniczną dokładnością, dlaczego ludzie pochodzenia europejskiego znaleźli sposób na trawienie przez całe życie mleka krowiego i koźlego, podczas gdy ci o rodowodzie azjatyckim tego nie potrafią. Na podstawie owych wskrzeszonych genomów już możemy określić sposób powstania u Europejczyków niebieskich oczu oraz jasnych bądź rudych włosów, tak jak umiemy z badań genomów skamieniałych kości odczytać, jak ciemną skórę mieli nasi przodkowie, lub dzięki analizie ich uzębienia odgadnąć, jak szybko w młodości dojrzewali i czym się odżywiali.

Odkrycie w chwili natchnienia koncepcji mutacji i późniejsze badania tego zjawiska otworzyły przed biologią ewolucyjną skarbnicę wiedzy o ewolucji i różnicowaniu się życia na Ziemi. Jednak fakt, że mutacje zachodzą losowo – a to losowe gromadzenie się mutacji łatwo można zmierzyć – to tylko część zagadnienia. Losowe mutacje same w sobie nie wystarczyłyby do stworzenia bioróżnorodności. Kluczem do zrozumienia jest konstatacja, że dobór naturalny operuje zmiennością, którą zawdzięcza losowym mutacjom. A dobór naturalny nie działa losowo; dobiera te mutacje, które sprzyjają przeżyciu, a tym samym możliwości reprodukcji.

Mutacje oraz dobór naturalny szybko uznano za bardzo ważne mechanizmy ewolucji. Odegrały one kluczową rolę w powstaniu w toku ewolucji genomu ludzkiego. Na nich opiera się też nęcąca atrakcja matematyczna: ponieważ uważa się, że mutacje powstają w dość regularnym tempie, dało to początek tak zwanemu zegarowi molekularnemu – mutacje oraz dobór naturalny posłużyły do opartych na matematycznych obliczeniach ekstrapolacji, które coraz powszechniej uznaje się za główne, jeśli nie wyłączne, objaśnienie mechanizmu przemiany ewolucyjnej. Zaczęto je uważać za centralny mechanizm współczesnego darwinizmu, zwanego także neodarwinizmem. Dzisiaj wielu nauczycieli szkolnych i akademickich nadal naucza, że to jest główne, jeśli nie jedyne, źródło dziedzicznej zmienności, lecz obecnie wiemy, iż mutacja nie stanowi jedynego mechanizmu dziedzicznych zmian. Przeciwnie, to jeden z wielu rozmaitych, występujących w przyrodzie mechanizmów zdolnych do zmiany dziedzicznych cech organizmów żywych.