Prenumerata 2018 ju˜ż w sprzedża˜y - SPRAWD˜!

Plus Minus

Frank Ryan. Złoty wiek genetyki ewolucyjnej

Rzeczpospolita
Na podstawie wskrzeszonych genomów już możemy okreœlić sposób powstania u Europejczyków niebieskich oczu oraz jasnych bšdŸ rudych włosów, a z badań skamieniałych koœci odczytać, jak ciemnš skórę mieli nasi przodkowie.

Kiedy w 1859 roku Darwin opublikował swojš teorię ewolucji w dziele „O powstawaniu gatunków drogš doboru naturalnego", wywołał niš huragan szoku w całym cywilizowanym œwiecie. Choć w tej pierwszej ksišżce swojego autorstwa wcale nie wspominał lub wspominał niewiele o ewolucji człowieka, to implikacje jego pracy, odnoszšce się do ewolucji gatunku ludzkiego, wyraŸnie uwidaczniały się w każdej myœli i linijce tekstu. Zważywszy, że nikt nie miał wówczas rzeczywistego pojęcia o mechanizmach dziedzicznoœci, rozumowanie autora wydaje się dzisiaj niezmiernie prorocze. W gruncie rzeczy Darwin wysunšł hipotezę, że natura dobiera pewne kluczowe właœciwoœci, czyli „cechy", zwiększajšce szanse na przeżycie; tak samo hodowcy lub rolnicy od dawna postępujš ze zwierzętami hodowlanymi i roœlinami uprawnymi, dobierajšc je pod względem cech, takich jak wielkoœć ziarna, obfitoœć runa, umięœnienie, odpornoœć na choroby lub suszę i tak dalej. Jednak przyroda realizuje ten cel w brutalny sposób: przez wyniszczenie.

Większoœć rodziców, na przykład u zwierzšt lub roœlin, wydaje na œwiat o wiele więcej niż dwa osobniki potomne. Mimo to, ogólnie rzecz bioršc, liczba przedstawicieli danego gatunku pozostaje mniej więcej stała. Darwin uœwiadomił sobie, że potomstwo musi ze sobš rywalizować o rzadkie zasoby i unikać drapieżników. To rodzi zażartš konkurencję w walce o byt; osobniki posiadajšce nieznacznš przewagę w batalii na œmierć i życie z przyrodš majš większe szanse przeżycia. Jeœli owa przewaga została uwarunkowana dziedzicznie, to jej posiadacze – pod warunkiem, że przeżyjš – przekażš jš 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 będš mieli większe szanse i na rozmnażanie się, i ostatecznie na wydanie na œwiat potomków na tyle różnišcych się od pierwotnej odmiany rodzicielskiej, iż dadzš poczštek nowemu gatunkowi. Rozmywanie się dziedzicznej przewagi będzie ograniczone, jeœli wyodrębniajšcy się nowy gatunek zostanie oddzielony od szczepu rodzicielskiego barierš geograficznš, na przykład wskutek rozdzielenia na wyspach albo odseparowania łańcuchem górskim bšdŸ szerokš rzekš. 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 przekonujšca. Na różnych wyspach należšcych do archipelagu Galapagos Darwin obserwował różnice w budowie ptasich dziobów. Wkrótce inni przyrodnicy – których dziœ nazywamy biologami – zaczęli zauważać i potwierdzać jego spostrzeżenia u zwierzšt i roœlin, grzybów, protistów (niegdyœ nazywanych pierwotniakami) oraz znacznie prostszych organizmów, takich jak bakterie i wirusy.

Skšd to dziedziczenie

Choć wielu naukowców, zaintrygowanych teoriš Darwina, w dużej mierze jš popierało, to niektórzy – w tym wybitny biolog Jean Louis Rodolphe Agassiz, pracujšcy 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 dotyczšce tych zagadnień i po prostu nie zgadzał się z darwinowskš koncepcjš doboru naturalnego, działajšcego w połšczeniu 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 zmiennoœci. Tak uzasadniony opór wobec teorii ewolucji, który stawiała sama społecznoœć naukowa, wynikał z powszechnej wówczas niewiedzy o istocie dziedzicznoœci. W myœl póŸniejszej opinii sir Juliana Huxleya, wnuka Thomasa Henry'ego Huxleya, który za życia był orędownikiem Darwina, to właœnie ów brak zrozumienia szczególnie utrudniał darwinowskiej teorii pozyskanie zaufania naukowców pod koniec XIX wieku. W poczštkowych rozdziałach ksišżki „Evolution: The Modern Synthesis" (Ewolucja: współczesna synteza) Julian Huxley dotknšł samego sedna problemu: „Dobór naturalny jako reguła ewolucyjna stał się przedmiotem rzeczywiœcie ważkiej krytyki koncentrujšcej się na istocie dziedziczonej zmiennoœci".

Trudno krytykować Darwina za to, że nie umiał wyjaœnić mechanizmu powstawania dziedzicznych zmian – za jego czasów nie wiedziano na ten temat prawie nic. Przypuszczał, że dziedziczna zmiennoœć powstaje w wyniku swego rodzaju „łšczenia się" cech obecnych u przodków danych rodziców. Pierwsze dwa rozdziały ksišżki „O powstawaniu gatunków" autor poœwięcił na wyjaœnienie mechanizmu działania takiego łšczenia się, zarówno u zwierzšt, jak i udomowionych roœlin uprawnych. Jednak z czasem sam Darwin zaczynał odczuwać coraz mniejsze przekonanie, że owo łšczenie się cech stanowi wystarczajšce wyjaœnienie. Czołowy amerykański darwinista, nieżyjšcy już Ernst Mayr, ujšł to następujšco: „Pochodzenie tej zmiennoœci intrygowało go przez całe życie". Dzisiaj wiemy, że to, co Darwin rozumiał jako „zmiennoœć", sugeruje jakiœ mechanizm bšdŸ mechanizmy dajšce poczštek dziedzicznej zmianie materiału genetycznego, czyli genomu. Ponowne odkrycie praw dziedziczenia Mendla spowodowało przełom w zrozumieniu rzeczywistego mechanizmu działania dziedzicznoœci: okreœlone właœciwoœci 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 olœnienia – obwieœcił, że cechy dziedziczne mogš ulec zmianie wskutek błędów wynikłych podczas kopiowania tychże genów. Oczywista po temu sposobnoœć pojawiała się podczas reprodukcji – błšd w trakcie kopiowania genu dawał poczštek temu, co de Vries nazwał „mutacjš".

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 teoretycznš możliwoœciš, lecz faktem, i to zgodnie z wszelkim prawdopodobieństwem faktem na tyle częstym, że możliwym do przewidzenia na podstawie obliczeń matematycznych. Grono prowadzšcych badania naukowców na całym œwiecie zaczęło łšczyć ze sobš 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 Zwišzku Radzieckim.

Pocišgi chromosomów

Z perspektywy medycyny mutacje DNA mogš powstawać podczas podziału komórek w ramach normalnych procesów ich wymiany w wielu tkankach i narzšdach w okresie życia. Sš to tak zwane mutacje somatyczne, stanowišce 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. Rzeczywistoœć jest trochę bardziej złożona. Genomy eukariotycznych form życia – zbudowanych z komórek jšdrzastych, między innymi zwierzšt i roœlin – zawierajš mechanizmy korygujšce takie błędy kopiowania już w momencie ich powstawania, lecz niekiedy może się zdarzyć, że owe mechanizmy zawiodš lub zostanš przełamane.

Specjaliœci od genetyki medycznej mogš obecnie wymienić tysišce mutacji komórek linii płciowej, które dajš poczštek wrodzonym problemom zaburzajšcym wewnętrzne procesy chemiczne organizmu potomnego, padajšcego ich ofiarš. Wiele takich „wad metabolizmu" powstaje wskutek mutacji pojedynczego genu, lecz niektóre mogš wynikać z mutacji dotyczšcych grup genów, wadliwych częœci chromosomów albo braku lub nadmiaru całych chromosomów. Teraz możemy wsišœć do naszego czarodziejskiego pocišgu i zwiedzić genom osoby, która miała nieszczęœcie odziedziczyć mutację dominujšcš; przyjrzymy się nieco bardziej szczegółowo, jak do niej doszło.

W przyjętym przez nas modelu każdy z 46 chromosomów stanowi oddzielnš linię kolejowš. Pocišgi mogš niš jeŸdzić od poczštku do końca, ale nie wolno im przejeżdżać na inne linie, gdyż każdy z chromosomów jest odrębnš strukturš liniowš. Na tę okazję wybieramy podróż liniš numer 4 – ludzkim chromosomem o tym właœnie numerze. Dojeżdżamy powoli do odcinka toru z napisem „huntingtyna". Jeœli tu wysišdziemy i uważnie obejrzymy przyległy odcinek toru, dostrzeżemy typowš strukturę genu, jakš widzieliœmy podczas wczeœniejszej podróży. Mamy tu odcinek DNA z podkładami utworzonymi przez zasady azotowe, oznaczony jako „promotor" genu kodujšcego huntingtynę. Ta sekwencja, zwykle sšsiadujšca z poczštkiem genu, stanowi genetyczny przełšcznik włšczajšcy i wyłšczajšcy 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 tworzšcego egzon, natkniemy się na coœ bardzo dziwnego. Widzimy teraz sekwencje złożone z tripletu zasad: cytozyna–adenina–guanina (CAG), które, jak się wydaje, powtarzajš się wielokrotnie w kolejnych podkładach.

„IdŸcie dalej – proponuję. – Policzcie te powtarzajšce się fragmenty".

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

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

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

„To trochę bardziej skomplikowane. Ciekawa rzecz, ale wszyscy mamy w pierwszym egzonie genu kodujšcego huntingtynę wiele powtarzajšcych się sekwencji CAG. O tym, czy odziedziczymy schorzenie, przesšdza dokładna ich liczba. Jeœli 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 złš wiadomoœć dla tej nieszczęsnej osoby?".

„Niestety, tak. Wszyscy ludzie majš dwie wersje chromosomu czwartego, jednš odziedziczonš od matki i jednš od ojca. Gdybyœmy poszli i obejrzeli drugš wersję odpowiadajšcego mu chromosomu, przekonalibyœmy się, że jest prawidłowa".

„Innymi słowy, choroba Huntingtona jest, jak to się nazywało... mutacjš dziedziczonš w sposób dominujšcy?".

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

Mutacje i dobór naturalny

Poczštkowo uważano, że mutacje dotyczš tylko genów kodujšcych białka. Jednak kiedy genetycy zrozumieli wielkie znaczenie genów zawierajšcych sekwencje regulatorowe, w tym takich, które kodujš białka bioršce udział w wewnštrzjšdrowej regulacji działania genów, uœwiadomili sobie, że mutacja obejmujšca sekwencję regulatorowš wpływajšcš przykładowo na rozwój zarodkowy również może zaważyć na fizycznym i umysłowym rozwoju potomstwa. W tym miejscu chciałbym wyjaœnić, że niektóre wzorce mutacji niekiedy zmieniajš odziedziczonš naturę danego osobnika w korzystny sposób, zwiększajšcy jego szanse na przeżycie. A ponieważ sš to zmiany dziedziczne, taka korzystna mutacja zostanie przekazana potomstwu tego osobnika i przyszłym pokoleniom. Nie odnosi się to wyłšcznie do ludzi, lecz do wszystkich zwierzšt, roœlin, grzybów, w istocie do wszystkich organizmów żywych. Ten mechanizm stanowi integralnš częœć sposobu działania ewolucji.

Genetycy ewolucyjni niemal przez stulecie œledzili wkład mutacji genów kodujšcych białka i genów regulatorowych w powstanie na Ziemi zróżnicowanego życia – od wyłonienia się w toku ewolucji wielorybów i delfinów ze stworzeń żyjšcych pierwotnie na lšdzie aż do pojawienia się zdolnoœci lotu u owadów i ptaków. Odkryli też pewne dowody na wyewoluowanie genów, które mogły się przyczynić do zwiększenia się rozmiarów i stopnia złożonoœci ludzkiego mózgu. Jednak mutacje nie musiały mieć aż tak spektakularnych skutków. Niewielka zmiana wpływajšca, powiedzmy, na czas trwania skutecznej aktywnoœci 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 klinicznš dokładnoœciš, dlaczego ludzie pochodzenia europejskiego znaleŸli sposób na trawienie przez całe życie mleka krowiego i koŸlego, podczas gdy ci o rodowodzie azjatyckim tego nie potrafiš. Na podstawie owych wskrzeszonych genomów już możemy okreœlić sposób powstania u Europejczyków niebieskich oczu oraz jasnych bšdŸ rudych włosów, tak jak umiemy z badań genomów skamieniałych koœci odczytać, jak ciemnš skórę mieli nasi przodkowie, lub dzięki analizie ich uzębienia odgadnšć, jak szybko w młodoœci dojrzewali i czym się odżywiali.

Odkrycie w chwili natchnienia koncepcji mutacji i póŸniejsze badania tego zjawiska otworzyły przed biologiš ewolucyjnš skarbnicę wiedzy o ewolucji i różnicowaniu się życia na Ziemi. Jednak fakt, że mutacje zachodzš losowo – a to losowe gromadzenie się mutacji łatwo można zmierzyć – to tylko częœć zagadnienia. Losowe mutacje same w sobie nie wystarczyłyby do stworzenia bioróżnorodnoœci. Kluczem do zrozumienia jest konstatacja, że dobór naturalny operuje zmiennoœciš, którš zawdzięcza losowym mutacjom. A dobór naturalny nie działa losowo; dobiera te mutacje, które sprzyjajš przeżyciu, a tym samym możliwoœci reprodukcji.

Mutacje oraz dobór naturalny szybko uznano za bardzo ważne mechanizmy ewolucji. Odegrały one kluczowš rolę w powstaniu w toku ewolucji genomu ludzkiego. Na nich opiera się też nęcšca atrakcja matematyczna: ponieważ uważa się, że mutacje powstajš w doœć regularnym tempie, dało to poczštek tak zwanemu zegarowi molekularnemu – mutacje oraz dobór naturalny posłużyły do opartych na matematycznych obliczeniach ekstrapolacji, które coraz powszechniej uznaje się za główne, jeœli nie wyłšczne, objaœnienie 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, jeœli nie jedyne, Ÿródło dziedzicznej zmiennoœci, lecz obecnie wiemy, iż mutacja nie stanowi jedynego mechanizmu dziedzicznych zmian. Przeciwnie, to jeden z wielu rozmaitych, występujšcych w przyrodzie mechanizmów zdolnych do zmiany dziedzicznych cech organizmów żywych.

Fragment ksišżki Franka Ryana „Tajemniczy œwiat genomu ludzkiego", przeł. Adam Tuz, która ukazała się nakładem Wydawnictwa Prószyński i S-ka.

Œródtytuły od redakcji

ródło: Plus Minus

WIDEO KOMENTARZ

REDAKCJA POLECA

NAJNOWSZE Z RP.PL