Błąd Darwina. Отсутствует
mutacji. Jak można się domyślać, terminy te określają rejony genetyczne, gdzie mutacje są znacznie bardziej prawdopodobne niż gdzie indziej (Shen i Storb 2004). Niektóre z nich stanowią częste podłoże nowotworów – zarówno u człowieka, jak i innych gatunków (Laken i in. 1997). Jedną – nie jedyną – z przyczyn takiego stanu rzeczy są błędy powstające w procesie replikacji genów, tzw. poślizg polimerazy DNA, który powodują delecje lub multiplikacje w sekwencjach charakteryzujących się dużą liczbą powtórzeń nukleotydowych. Szczególnie często problem dotyczy tak zwanych sekwencji mikrosatelitarnych (Yauk 1998). Tworzą one klasy wysoko zmiennych (polimorficznych) „powtórzeń tandemowych” w łańcuchu DNA. To jedne z najsilniej zróżnicowanych miejsc w ludzkim genomie – współczynniki mutacji sięgają tam od 0,5 do 20 procent w skali pokolenia (Bois 2003). Po drugiej stronie spektrum mamy różnorodne procesy naprawcze (naprawa DNA – zob. Feuerhahn i Egly 2008), które funkcjonują jako bufor zapobiegający mutacjom (przegląd niedawnych odkryć z dziedziny ludzkiego genomu odnajdziemy w pracach Berglund i in. 2009 oraz Hurst 2009). Mutacje białek odpowiadające za przebieg tych procesów są zazwyczaj letalne.
Tak więc tradycyjne założenie, że mutacje mają dowolne prawdopodobieństwo występowania w każdym punkcie genomu wszelkich gatunków (mniej więcej jedna szansa na milion na locus w danym pokoleniu), okazuje się zasadniczo nie do przyjęcia w świetle przeprowadzonych badań. Na pewno nie jest tak, że wywołują one równie przypadkowe dalsze efekty. Innymi słowy, nawet gdyby mutacje były przypadkowe, nie zawsze generowałyby losowe, nowe fenotypy.
W istocie kolejne stadia łączenia genomów z fenotypami ujawniają inne procesy, które oddzielają losowe mutacje DNA od konsekwencji fenotypowych. Na przykład transkrypcja DNA na matrycowe RNA (mRNA), pierwszy etap procesu ekspresji genów, podlega wielopoziomowej regulacji. Edycja RNA (termin jest w tym wypadku wyjątkowo dobrze dobrany) doprowadza ostatecznie do zmiany transkryptu w mRNA, wskutek czego chemiczna (aminokwasowa) sekwencja faktycznie zakodowanych białek różni się od tej, którą dałoby się przewidzieć na podstawie oryginalnej sekwencji DNA. Ów centralny proces przepisywania całych genów – etap, na którym DNA jest przekazywane (technicznie rzecz biorąc, „transkrybowane”) na potomną cząsteczkę zwaną RNA, jest poddany wielu różnym procesom regulacyjnym. Wpływają one w istotny sposób na moment aktywacji poszczególnych genów zarówno we wczesnym rozwoju, jak i w późniejszym życiu jednostki. Niektóre z tych mechanizmów są często spotykane, inne są specyficzne dla pojedynczych gatunków50.
W ostatnich latach dużo mówi się o badaniach tak zwanego mikro-RNA (miRNA). Są to krótkie, niekodujące sekwencje RNA o ważnych i licznych funkcjach regulacyjnych51. Te mikrosekwencje RNA liczą sobie zaledwie od dwudziestu do dwudziestu pięciu genetycznych liter (nukleotydów). Wpływają jednak na znacznie dłuższe sekwencje mRNA, stanowiące z kolei podstawowy transkrypt materiału genetycznego (DNA), który składa się zazwyczaj z wielu tysięcy nukleotydów. Skoro miRNA reguluje przepisywanie DNA na RNA, to reguluje ekspresję genów. U zwierząt miRNA ma setki celów, łącznie z niekodującym RNA (Zhao i in. 2003). Na wiele sposobów reguluje też rozwój organizmu – między innymi przez wpływ na geny wchodzące w skład ważnych ścieżek sygnałowych.
Dopiero zaczynamy poznawać rolę tych mechanizmów w ewolucji (Filipowicz i in. 2008). W niedawno opublikowanym artykule przeglądowym Paulo P. Amaral i John s. Mattick, australijscy specjaliści od genetyki molekularnej, pisali:
Te nowe perspektywy [evo-devo i zjawisko wielopoziomowej regulacji], wraz z zebranym bagażem świadectw empirycznych, przeczą klasycznemu założeniu, że znaczna większość genomu ssaków nie jest funkcjonalna, a przez to większość transkrybowanego w komórkach RNA nie ma znaczenia. Wręcz przeciwnie: twierdzimy, że genom ssaków to nie wyspy sekwencji kodujących proteiny w morzu ewolucyjnych śmieci, lecz maszyna RNA, w której większość informacji jest wyrażana jako niekodujące (ncRNA) w sposób regulowany rozwojowo w czasie ontogenezy ssaków. To wyłaniające się obecnie stanowisko nie tyle stoi w sprzeczności, co będzie musiało zostać uzgodnione i zintegrowane z dobrze nam znanymi opisami sieci regulujących, sygnalizacyjnych i efektorowych, które odgrywają zasadniczą rolę w rozwoju organizmów wielokomórkowych (Amaral i Mattick 2008, s. 479).
W redakcyjnym wstępie do jubileuszowego wydania pisma „Developmental Biology” (które wówczas, w styczniu 2009 roku, świętowało swoje pięćdziesięciolecie) jego redaktor naczelny Robb Krumlauf pisał: „Ważnym wyzwaniem na przyszłość będzie odkrycie, jak podstawowe narzędzia genetyczne i ścieżki sygnałowe są kontrolowane i zintegrowane z ewolucją tak wielu różnych organizmów”.
Listę tę uzupełnić można o interferencję RNA (RNAi) i różnorakie procesy „korekty” (naprawy). Istnieją również procesy polegające na posttranskrypcyjnym wyciszaniu, pozwalającym na włączenie się kolejnego poziomu regulacji.
Drastycznie rzecz upraszczając52, matrycowy RNA (mRNA) opuszcza jądro i udaje się do fabryk komórkowych (rybosomów), gdzie zostaje przepisany na białka. Te zaś stanowią podstawowy budulec, z którego powstaje życie. Białka dosłownie odklejają się od rybosomów i każde zawija się w określoną, szczególną konformację przestrzenną, która jest determinowana zarówno przez sekwencję chemiczną cząsteczki (aminokwasy), jak i warunki, w jakich ów proces przebiega (woda, tłuszcze itd.53 – zob. Dobson 2003). Trójwymiarowa konfiguracja przestrzenna białka określa jego biologiczną funkcję i musi być odtworzona z dużą dokładnością, bo inaczej…
chaperony
No właśnie. Istnieją też inne białka, tak zwane chaperony, których ważny podzbiór nazywany jest chaperoninami. Zapewniają one tak zwaną „kontrolę jakości”, czyli dbają o właściwe kształtowanie białek, za które odpowiadają. Jeden z najbardziej znanych chaperonów to HSP90 (heat shock protein 90, czyli białko szoku cieplnego 90). Odgrywa ważną rolę przy kształtowaniu wielu bardzo różnorodnych protein. Mutacje w tym białku generują najróżniejsze spotwornienia u muszek owocowych. Niektóre z takich potworów można hodować w laboratorium i doprowadzić do przekazywania anomalnego fenotypu na kolejne pokolenia. Po kilku sztucznych selekcjach wytwarzana jest pewna liczba jednostek obarczonych takimi anomaliami. Cechy te utrzymują się w sposób stabilny nawet po doprowadzeniu HSP90 za pomocą implantów genetycznych do ich zwykłej postaci54. Genetycy potrafią czynić w laboratoriach prawdziwe cuda. Pozwoliło im to stwierdzić, że HSP90 i podobne białka działają jak „kondensatory ewolucyjne” (Rutherford i Lindquist 1998; Queltsch i in. 2002; True i in. 2004). Oznacza to, że niektóre potencjalnie szkodliwe mutacje (byłyby takie, gdyby zostały eksprymowane) będą neutralizowane: choć są przekazywane z pokolenia na pokolenie, to pozostają nieaktywne do czasu aż jakaś mutacja bądź zasadnicze zmiany w środowisku (sytuacje stresowe, zob. s. 97) doprowadzą do ich ujawnienia, czyli przeobrażą odpowiedni genotyp w fenotyp55. Niedawno zaobserwowano bezpośrednią interakcję między HSP90 i białkiem chromatyny (zwanym Trithorax, skrót TRX). Jako że to białka chromatyny kontrolują procesy rozwojowe przez modulację sygnałów epigenetycznych (zob. dalej), to dane te wyjaśniają szczegółowo istotną rolę, jaką odgrywa współpraca HSP90 z owymi białkami przy aktywacji genów docelowych, a w szczególności genów nadrzędnych, takich jak geny Hox. Gdy HSP90 ulega uszkodzeniu – czy to w wyniku powstania mutacji genetycznej, czy działania zewnętrznych czynników farmakologicznych – funkcja owych nadrzędnych genów dominujących zostaje zaburzona, z wszystkimi dramatycznymi konsekwencjami, o których była już mowa.
alternatywny splicing
Na koniec
Niedawno odkryto specyficznie ludzki czynnik rozwojowy (enhancer HACNS1). Odpowiada on za powstanie typowo ludzkich kończyn. Został zidentyfikowany przez porównania z odpowiednikiem u transgenicznych myszy, makaków królewskich i szympansów (zob. Prabhakar i in. 2008).
Tematyka ta była ostatnio wyczerpująco omawiana w pracach Mattick (2005), Amaral i Mattick (2008), Mattick i Mehler (2008), Stefani i Slack (2008).
Matrycowy RNA (mRNA) podlega kilku modyfikacjom i przetworzeniom (łącznie ze splicingiem), by następnie zostać przepisany w rybosomach na sekwencję aminokwasów zwaną polipeptydem. Po ostatecznym ułożeniu tej sekwencji w konkretną, trójwymiarową konfigurację uzyskujemy białko, o którym mówi się, że jest „zakodowane” przez gen. Złożona relacja między liniową sekwencją aminokwasów a trójwymiarową konfiguracją białka przez dziesiątki lat stanowiła przedmiot badań, które do dziś nie przyniosły rozstrzygających wyników (najnowsze osiągnięcia związane z analizą „węzłów” tworzących się na łańcuchach białkowych omówiono w pracy Mallam i in. 2008).
W ostatnim czasie wysunięto przypuszczenie – oparte na poważnych świadectwach i solidnej podstawie teoretycznej – że wewnętrzna struktura żywych komórek (nie dotyczy to bakterii) jest w sposób nieprzypadkowy podobna do struktury szkła (Trepat i in. 2007; jesteśmy wdzięczni profesorowi Fernando Martinezowi z Uniwersytetu Arizony za zwrócenie nam uwagi na ten interesujący wątek). Dalsze omówienie „szkłopodobnej” struktury pejzażu przystosowań w ogólnych matematycznych modelach specjacji przedstawione zostało w pracy Heo (2009).
W następnym rozdziale omówimy pionierskie eksperymenty Waddingtona.
W niedawno opublikowanej analizie buforowania mutacji przez HSP90 w roślinie