Czy geny mogą powstać z niczego?

Evolution News

Czy geny mogą powstać z niczego?

W świetle teorii ewolucji miliony nowych, funkcjonalnych genów musiało powstać przypadkowo. Niniejszy artykuł przedstawia ewolucjonistyczne pomysły na to, jak można pokonać małe prawdopodobieństwo powstania genów.

W 2019 roku na łamach czasopisma „Nature” ukazał się artykuł o tym, „jak ewolucja buduje geny od zera”. Już sama ta fraza sugerująca, że ewolucja jest budowniczym, od razu powinna spowodować, że zapali się nam czerwona lampka. Autor tekstu Adam Levy wyjaśnia: „Naukowcy od dawna zakładali, że nowe geny pojawiają się, kiedy ewolucja majstruje przy starych genach”1. Czy Levy przygotowuje w ten sposób czytelników do sfalsyfikowania hipotezy ewolucji jako majsterkowicza? Jego następne zdanie temu przeczy: „Okazuje się, że dobór naturalny jest znacznie bardziej kreatywny”2. Zatem ewolucja (oraz jej siła twórcza – dobór naturalny) okazuje się kreatywnym budowniczym. Wszystko to wymaga dokładnej analizy.

 

Arktyczna odporność na zamarzanie

Jako wzorcowy przykład Levy podaje gen kodujący białka odpornego na zamarzanie, który występuje u dorsza atlantyckiego. Zwierzę to potrafi przetrwać w mroźnych wodach Arktyki. Autor twierdzi, że wspomniany gen po prostu pojawił się znikąd:

Skąd dorsz ma tę zdolność, było zagadką, którą postanowiła rozwiązać biolożka ewolucyjna Helle Tessand Baalsrud. Razem ze swoim zespołem z Uniwersytetu w Oslo przeanalizowała genomy dorsza atlantyckiego (Gadus morhua) i kilku jego najbliższych filogenetycznie krewnych, sądząc, że uda się wytropić kuzynów genu odporności na zamarzanie. Żadnego takiego genu jednak nie odnaleźli. Baalsrud, która w tym czasie była świeżo upieczoną matką, martwiła się, że przez brak snu nie potrafi dostrzec tego, co oczywiste.

Natknęła się jednak na wyniki badań wskazujące, że geny nie zawsze ewoluują z istniejących już genów, jak od dawna przypuszczali biolodzy. Zamiast tego pewne geny są kształtowane z nieaktywnych fragmentów genomu, które nie kodują żadnych funkcjonalnych cząsteczek. Kiedy Baalsrud przyjrzała się genomom ryb, doszła do wniosku, że najprawdopodobniej rzeczywiście tak jest. Uznała więc, że niezamarzające białko, niezbędne do przetrwania dorsza, najwyraźniej zostało zbudowane od zera. Wcześniej inny badacz doszedł do podobnego wniosku3.

 

Jak do tego doszło?

Zgodnie z istniejącym od dawna odwróconym sposobem rozumowania ‒ żadna obserwacja nie jest kompletna, dopóki nie zostanie potwierdzona przez teorię. Levy przedstawił listę innych kandydatów posiadających geny de novo [stworzone od nowa – przyp. tłum.] na całym świecie. Ewolucjoniści najwyraźniej nie dostrzegali, jak łatwo jest tworzyć nowe, funkcjonalne geny:

Geny de novo skłaniają nawet do ponownego przeanalizowania niektórych tez teorii ewolucji. Standardowe było przekonanie, że nowe geny zazwyczaj powstają, gdy te już istniejące ulegają przypadkowej duplikacji, zmieszaniu lub podziałowi, jednak obecnie niektórzy badacze uważają, że geny de novo mogą być dość powszechne. Część wyników badań wskazuje, że co najmniej jeden gen na dziesięć mógł powstać w taki sposób, a zgodnie z innymi wynikami badań, więcej genów może powstawać w wyniku procesu de novo niż poprzez duplikację innych genów4.

Levy zgadza się, że geny ulegają dewolucji, jednak zaznacza, że mogą też tworzyć innowacje. Konkluduje, że jeśli geny mogą powstać od zera poprzez zmianę przeznaczenia niekodującego fragmentu DNA, zaciera to granicę tego, czym jest gen. Cytuje też słowa pewnego chińskiego genetyka: „Zdolność organizmów do pozyskiwania nowych genów w ten sposób świadczy o »plastyczności ewolucji, która sprawia, że coś, co wydaje się niemożliwe, staje się możliwe«”5. Czy to oznacza, że nadszedł czas, aby Discovery Institute spakował manatki? Cytat nawiązuje do wiary George’a Walda, że „przy wystarczającej ilości czasu niemożliwe staje się możliwe, a możliwe staje się praktycznie pewne”. Wnikliwi czytelnicy powinni jednak żądać więcej  świadectw, nim przyjmą nowe twierdzenie o cudownych darwinowskich mocach.

Aby jednak nikt nie wiązał z tym zbyt wielkich nadziei, Levy nieco się wycofał:

Naukowcy nie opracowali jeszcze metody definitywnego rozpoznania, co charakteryzuje geny de novo, a wciąż bez odpowiedzi pozostają pytania, w jaki sposób i jak często one powstają. Naukowcy zastanawiają się także, dlaczego ewolucja miałaby tworzyć geny od zera, skoro istnieje tak wiele materiału w postaci gotowych genów. Takie podstawowe pytania świadczą o tym, jak młoda jest to dziedzina nauki. Baalsrud wskazuje: „Hipotezę ewolucji genów de novo odrzucano jeszcze całkiem niedawno”6.

Podstawową ideą jest to, że „geny mogą ewoluować z niekodujących odcinków DNA, uzyskując transkrypty i kodony w dowolnej kolejności”7. Jak można przeczytać w infografice zamieszczonej w artykule Levy’ego, z początku takie „protogeny” mogą być dysfunkcyjne lub nieuporządkowane. Jeśli jednak „protogen” ulegnie transkrypcji lub uzyska więcej kodonów, dzięki presji selekcyjnej może się przekształcić w funkcjonalny gen. Levy wyobraża sobie, że genom jest pełny „śmieciowego DNA”, który tylko czeka na wykorzystanie.

Levy przyznaje, że założenie to jest bardzo kontrowersyjne. Biorąc pod uwagę ogrom przestrzeni sekwencji i fakt, jak niewielką jej część zajmują sekwencje funkcjonalne, hipoteza ta wydaje się mało prawdopodobna (w swoich badaniach wykazał to Douglas Axe, biochemik zajmujący się białkami). W artykule Levy’ego warto także zwrócić uwagę na często występujące asekuracyjne słowa, takie jak mógłby lub możliwe.

Co jednak z niekodującym DNA? Hipoteza projektu (której Levy i jego zwolennicy nie biorą pod uwagę) wyjaśnia, że genom ma system zapasowy. To, co wydaje się „śmieciowymi” sekwencjami otoczonymi przez otwarte ramki odczytu, może stanowić  kopie zapasowe funkcjonalnych białek zachowane na wypadek nieprzewidzianych warunków środowiskowych, ukryte za pomocą jakiegoś systemu szyfrowania. Ten punkt widzenia zasługuje na rozważenie.

 

Skup się na potwierdzeniach, ignoruj problemy

Jak trudności obrócić w zaletę, ukazuje tekst Conora J. McClune’a i jego współpracowników opublikowany w „Nature”. To artykuł, w którym ogrom przestrzeni sekwencji posłużył za podstawę do zaproponowania innej hipotezy ewolucji genów de novo. Naukowcy zasadniczo zakładają, że skoro sekwencje ortogonalne raczej nie interferują z istniejącymi genami, to ewolucja ma ogromne pole do wynajdowania nowych genów:

Wyniki te wskazują, że przestrzeń sekwencji nie jest gęsto zajęta. Względna rzadkość paralogów w przestrzeni sekwencji sugeruje, że nowe, izolowane szlaki mogą łatwo powstać w toku ewolucji lub zostać skonstruowane de novo. Tę drugą opcję wykazujemy poprzez zaprojektowanie w bakterii E. coli szlaku sygnałowego, który reaguje na cytokininę roślinną, nie interferując z pozostałymi szlakami8.

Naukowcy, posługując się własną inteligencją i umysłem, opracowali w laboratorium szlak sygnałowy. Czy dowodzi to jednak, że natura może tego dokonać przez przypadek? Ten absurdalny wniosek wypływa z buńczucznej wiary badaczy w zdolność doboru naturalnego do konstruowania funkcjonalnych maszyn na zawołanie, ilekroć tylko komórka tego potrzebuje. Naprawdę trudno w to uwierzyć! Zaznaczają oni, że „przestrzeń sekwencji jest ogromna i natura mogła nie zająć lub nie odkryć jej w pełni”9. Teraz natura okazuje się odkrywcą! Eksploruje nowe tereny, jak pionierzy na Dzikim Zachodzie, którzy na nowych obszarach chcą budować miasta.

 

W darwinowskim stylu

Autorzy wspominają o prawdopodobieństwie, ale w darwinowskim stylu:

Aby ocenić, jak często w przestrzeni sekwencji występują paralogi, staraliśmy się stworzyć kompleksy białkowe, które są funkcjonalne, ale odizolowane od pozostałych paralogów. Jeśli przestrzeń sekwencji jest gęsto zajęta przez istniejące paralogi, to powinno być trudno wprowadzić nowe, izolowane szlaki […]. Jeżeli jednak przestrzeń sekwencji jest zajęta w niewielkim stopniu, to nowe ścieżki powinny być łatwe do wprowadzenia, przy czym prawdopodobieństwo interferencji sygnałów byłoby niskie10.

Autorzy uważają, że nowe geny powinny być „łatwe do wprowadzenia” i że najprawdopodobniej nie będą interferować z innymi genami ze względu na ogrom niewypróbowanych wariantów w czarodziejskiej krainie przestrzeni sekwencji. Spróbujmy to zrobić z losowymi ciągami liter alfabetu. Słowa i akapity, które mają nowe znaczenie, powinny być łatwe do wprowadzenia. Czy znajdziemy chętnych do przeprowadzenia tego eksperymentu?

Autorzy kończą artykuł konkluzją:

Nasza praca uzmysławia, że warto korzystać z idei koewolucji w badaniach interakcji białko-białko, a także wspiera model, według którego przestrzeń sekwencji nie jest gęsto zajęta. Relatywnie rzadki rozkład istniejących białek w przestrzeni sekwencji prawdopodobnie odzwierciedla ich ewolucyjną historię. W ramach innych badań11 wykazano, że zduplikowane białka sygnałowe poddawane są presji natychmiast po powieleniu, aby ulec zmianie i izolacji, ale późniejszy ruch w przestrzeni sekwencji dokonuje się wyłącznie za sprawą zmian neutralnych. Chociaż zduplikowane białka są początkowo poddawane selekcji przeciwdziałającej interferencji sygnałów między nimi, to żadne białko prawdopodobnie nie podlega ogólnosystemowej selekcji negatywnej ani globalnej optymalizacji12.

W podsumowaniu należałoby powiedzieć raczej, że ich praca stanowi wyraz niezachwianej wiary w moc doboru naturalnego do tworzenia złożonych maszyn molekularnych i sieci regulacji genów od zera. W ten właśnie sposób darwiniści wyjaśniają geny de novo – wiarą w moc wyobraźni.

 

Evolution News

Oryginał: Can New Genes Emerge from Scratch?, „Evolution News & Science Today” 2020, January 20 [dostęp 19 VI 2020].

 

Przekład z języka angielskiego: Bartosz Bagrowski

Źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

Ostatnia aktualizacja strony: 19.06.2020

Przypisy

  1. A. Levy, Genes from the Junkyard, „Nature” 2019, Vol. 574, s. 314 [314–316] [dostęp 19 VI 2020] (przyp. tłum.).
  2. Levy, Genes from the Junkyard, s. 314 (przyp. tłum.).
  3. Levy, Genes from the Junkyard, s. 314 (przyp. tłum.) [wyróżnienia dodane].
  4. Levy, Genes from the Junkyard, s. 314–315 (przyp. tłum.) [wyróżnienia dodane].
  5. Levy, Genes from the Junkyard, s. 315 (przyp. tłum.) [wyróżnienia dodane].
  6. Levy, Genes from the Junkyard, s. 315 (przyp. tłum.) [wyróżnienia dodane].
  7. Levy, Genes from the Junkyard, s. 316 (przyp. tłum.).
  8. C.J. McClune et al., Engineering Orthogonal Signalling Pathways Reveals the Space Occupancy of Sequence Space, „Nature” 2019, Vol. 574, s. 702 [702–706] [dostęp 19 VI 2020] (przyp. tłum.) [wyróżnienia dodane].
  9. McClune et al., Engineering Orthogonal Signalling Pathways, s. 702 (przyp. tłum.).
  10. McClune et al., Engineering Orthogonal Signalling Pathways, s. 702 (przyp. tłum.) [wyróżnienia dodane].
  11. Por. E.J. Capra et al., Adaptive Mutations That Prevent Crosstalk Enable the Expansion of Paralogous Signaling Protein Families, „Cell” 2012, Vol. 150, s. 222–232 (przyp. tłum.).
  12. McClune et al., Engineering Orthogonal Signalling Pathways, s. 706 (przyp. tłum.) [wyróżnienia dodane].

Literatura:

  1. Capra J. et al., Adaptive Mutations That Prevent Crosstalk Enable the Expansion of Paralogous Signaling Protein Families, „Cell” 2012, Vol. 150, s. 222–232 (przyp. tłum.).
  2. Levy A., Genes from the Junkyard, „Nature” 2019, Vol. 574, s. 314–316 [dostęp 19 VI 2020].
  3. McClune C.J. et al., Engineering Orthogonal Signalling Pathways Reveals the Space Occupancy of Sequence Space, „Nature” 2019, Vol. 574, s. 702–706 [dostęp 19 VI 2020].

Dodaj komentarz



Najnowsze wpisy

Najczęściej oglądane wpisy

Wybrane tagi