Błąd Darwina. Отсутствует
(mniej więcej dwadzieścia cztery tysiące). Wywołało to nową falę zainteresowania alternatywnymi możliwościami splicingu. Zjawisko to wyjaśnia bowiem, jak pojedynczy gen może kodować wiele białek. Przyjęto, że geny muszą działać „wielozadaniowo” – i faktycznie tak się dzieje57.
W niedawnych badaniach Christopher B. Burge z MIT i jego współpracownicy analizowali całą sekwencję matrycowego RNA (mRNA) w piętnastu różnych typach tkanek bądź liniach komórek nowotworowych i uzyskali wyczerpujący katalog genów i alternatywnych sposobów ekspresji mRNA (Wang i in. 2008). Obecnie uznaje się, że ponad 90 procent ludzkich genów podlega alternatywnemu splicingowi i wykorzystuje obróbkę mRNA w celu uzyskania różnych białek z jednego genu. Niemal wszystkie geny ssaków zawierają introny i są składane na różne sposoby. Mechanizm ten zapewnia większą różnorodność fenotypową, niż by to wynikało z samej liczby genów 58.
i na koniec: napęd molekularny oraz ukierunkowana konwersja genów
Ubolewając nad tradycyjnym monopolem doboru naturalnego i dryfu genetycznego, uważanych za jedyne przyczyny formowania się nowych gatunków, Gabriel Dover zaproponował nowy mechanizm – tak zwany „napęd molekularny” (zob. Dover 1982a, 1982b). Jego propozycja zasadniczo sprowadzała się do postulowania procesów wymiany molekularnej wewnątrz genomu, która byłyby niezależna od selekcji naturalnej. Ten skoordynowany mechanizm pozwala na formowanie nowych form biologicznych „w sposób, który nie został przewidziany przez klasyczną genetykę doboru naturalnego i dryfu genetycznego”. Wyjaśniając (za pomocą narzędzi dostępnych we wczesnych latach osiemdziesiątych) szczegóły owego w pełni mechanicznego procesu molekularnego, który miał przy tym być całkowicie wewnętrzny wobec aparatu genetycznego, Dover użył słów, które dwadzieścia pięć lat później miały zyskać na popularności: „uwarunkowanie”, „ukierunkowanie” oraz „konwersja”.
Dover podkreśla, że we wszystkich genomach wszelkich badanych gatunków, poczynając od owadów, przez robaki, a na ludziach kończąc, powszechnie występują genomowe mechanizmy reorganizacji fragmentów DNA (transpozycji, inwersji i duplikacji), które generują coś, co nazywa on pędem molekularnym. Nawracająca niestabilność genomów prowadzi do reorganizacji i powstania nowych, tymczasowych stabilizacji. Dover zauważa, że rozprzestrzeniające się skutki pędu molekularnego działają w dokładnie taki sam sposób (błąd losowy), co stochastyczny dryf genetyczny na poziomie fenotypu. Poza konwersją genów, do którego to zagadnienia zaraz wrócimy, istnieją transpozycje DNA (przemieszczenia fragmentu DNA), mutacje dynamiczne (mutacje spowodowane poślizgiem polimerazy, polegające na powieleniu się fragmentu DNA), pomyłki wynikające z nierównej wymiany informacji podczas procesu crossing-over i inne procesy, które łącznie – w ujęciu Dovera – sprawiają, że pojedyncza mutacja jednego genu w jednym indywiduum może, po upływie kilku pokoleń, rozprzestrzenić się na całą reprodukowaną płciowo populację. Ten stymulowany przez czynniki wewnętrzne proces jest w stanie otworzyć dla danej populacji – w stosownej perspektywie czasowej – ścieżki rozwoju, reprodukcji i zachowań, które były dotąd niedostępne. Zgodnie ze schematem proponowanym przez Dovera (zob. również jego książka z 2001 roku Dear Mr. Darwin) można uznać, że pojawienie się nowych, przyjaznych środowiskowo funkcji jest zależne od interakcji wielu procesów: pędu molekularnego, losowego dryfu oraz (tak, również) doboru naturalnego. Mówiąc w sposób bardzo skrótowy, istnieją tu siły, które wynikają z niestabilności genomów (którym towarzyszą też wszechobecne, niemendlowskie mechanizmy reorganizacji). Uzyskujemy w ten sposób radykalnie szersze rozumienie natury funkcji biologicznych poddanych ewolucji.
Szczególny nacisk kładzie się obecnie na pewien specyficzny aspekt pionierskich intuicji (oraz danych i obliczeń) Dovera, a mianowicie na proces zwany biased gene conversion (BGC)59. Obecnie przyjmuje się, że mechanizm ten, polegający na błędach procesu rekombinacji i następującej w dalszej kolejności segregacji genów oraz na zmianach sekwencji powstałych w zrekombinowanych cząsteczkach DNA, odpowiada za powstawanie nowych wariantów genów (nowych alleli) niezależnie od procesu selekcji. Cała klasa licznych i ewolucyjnie niedawnych różnic w sekwencjach DNA między odpowiadającymi sobie genami u ludzi i innych naczelnych, zazwyczaj przypisywana selekcji naturalnej, okazuje się wynikiem działania BGC (Berglund i in. 2009). W pracach Dureta (2009), Galtiera i in. (2009), Hodgkinsona i in. (2009) omawia się wpływ BGC na tradycyjne pojmowanie (i obliczenia statystyczne) domniemanych przypadków „czyszczenia selekcyjnego” w ewolucji człowieka. O odmienności mechanizmów konwersji genetycznej od selekcji naturalnej najlepiej świadczy fakt, że mogą one nawet promować utrwalanie szkodliwych mutacji u naczelnych.
Angielski biochemik Laurence Hurst omawiając w „Nature” z 29 stycznia 2009 roku dane przedstawione przez zespół Berglunda, pisze:
Te dane (…) są zgodne z poglądem, który upatruje w BGC siłę napędową ewolucji, która potencjalnie jest w stanie wyjaśnić szerokie zakresy zasadniczo homogenicznych treści nukleotydowych (…) w naszym genomie. Co bardziej niepokojące, wyniki te kwestionują użyteczność standardowego zestawu narzędzi do identyfikacji w hotspots mutacji, które są korzystne dla organizmów. Przekonujące dowody pozytywnej selekcji wymagają obecnie zarówno dowodów, że zmiany nie są wynikiem BGC, jak i analizy wpływu zmian aminokwasowych. (Hurst 2009, s. 544)
wnioski
Chyba nie potrzeba więcej szczegółów, by zakończyć ten rozdział wnioskiem, że – jak głosi obecnie wielu wybitnych biologów – nawet jeśli mutacje były w punkcie wyjścia losowe, to odpowiadające im fenotypy już nie są. Innymi słowy: zanim jakiś fenotyp zostanie, mówiąc obrazowo, „przedstawiony” do selekcji przez środowisko, musi być spełniony zestaw ograniczeń wewnętrznych, a interakcje na wielu poziomach muszą zostać ustabilizowane. Między mutacją a ekspresją jest miejsce na wiele różnorodnych filtrów. Niektóre spośród nich działają szeregowo, inne kooperują bądź wpływają na siebie.
Nie ma więc, mówiąc krótko, żadnej pojedynczej „strzałki”, która łączy losowy generator różnorodności genetycznej z fenotypami, na których operuje egzogeniczna selekcja. Różne rodzaje filtrów i procesów regulacyjnych mają różne skutki na wielu poziomach. Problematyka ta stanowi obecnie przedmiot intensywnych badań (Mattick 2005; Amaral i Mattick 2008; Mattick i Mehler 2008). Zazwyczaj istnieją zróżnicowane współczynniki efektywności dla rożnych wariantów na różnych poziomach i dla różnych rodzajów lokalnych (czyli endogenicznych) selekcji. Istnieją też selekcje egzogeniczne, ale w tym punkcie również, jak się za chwilę przekonamy, obecna narracja znacząco odbiega od propozycji tradycyjnego neodarwinizmu. Niektórzy biologowie ewolucyjni faktycznie uogólnili i rozszerzyli mechanizmy darwinowskiej selekcji o dobór wewnętrzny60. W części II wyłożymy pojęciowe ograniczenia darwinizmu, które stosują się również do jego rozszerzonych wersji. Zanim jednak do tego przejdziemy, trzeba omówić kilka innych faktów i nowych odkryć w samej biologii. Obraz relacji między genami i fenotypami staje się jeszcze bardziej złożony, gdy uwzględnimy kolejną, wyższą rodzinę poziomów, a mianowicie relacje między genomem jako całością a ścieżkami rozwoju. Te właśnie kwestie podejmiemy w następnym rozdziale.
3
genomy, sieci, moduły i inne złożone problemy
sieci regulatorowe genów
W rozwijającym się organizmie działają niezwykle złożone sieci regulatorowe genów. Dzięki zrozumieniu sposobu ich funkcjonowania uzyskaliśmy nowy wgląd w źródła przestrzennego planu organizacji zwierząt i ewolucji (Davidson 2006; Davidson i Erwin 2006; de Leon i Davidson 2009)61. Davidson i Erwin (2006)
Przy okazji omówienia danych na temat alternatywnego splicingu odnośnie do wielu genów związanych z systemem immunologicznym, przewodnictwem neuronowym i międzykomórkową adhezją u różnych gatunków Schmucker i Chen (2009) ukuli hasło „złożone geny – proste zwierzęta, złożone zwierzęta – proste geny”.
Alternatywny
BGC nie jest jedynym mechanizmem, jaki w swoim wyjściowym ujęciu proponował Dover. Postulował on również rodzaj konwersji genetycznej, którą nazwał „
Gerald Edelman w swoich popularyzatorskich pracach (np. Edelman 1987) i artykułach naukowych promował własną „teorię selekcji grup neuronalnych” (
Znakomite, a przy tym krótkie wprowadzenie do zagadnienia regulacji genów u wyższych organizmów (jądrowców) odnaleźć można na stronie http://users.rcn.com/jkimball.ma.ultranet/BiologyPages/P/Promoter.html.