W trzech poprzednich postach odniosłam się do nagrania Eriki DeBenedictis, doktor bioinżynierii z MIT, zatytułowanego It’s Time for Intelligent Design [Czas na inteligentny projekt]1. W ostatnim tekście przedstawiłam trzy przykłady na rzecz optymalności podstawowych struktur biologicznych, które dotyczyły rozwoju, metabolizmu oraz budowy chemicznej budowy aminokwasów2. Obserwacja optymalności podstawowych struktur biologicznych powinna zachęcić do dalszego testowania hipotezy optymalności w peryferyjnych obszarach biologii. Jednakże te przykłady powinny także wzbudzić naszą ostrożność w wygłaszaniu twierdzeń na temat sposobu funkcjonowania mechanizmów architektury genomu, co do których nie mamy pełnej wiedzy, przez co mogą być one postrzegane jako „słaby projekt”. Jeżeli więc optymalność jest cechą przyrody ożywionej, to kiedy losowa mutacja powoduje niekorzystne zmiany, ludzie mogą w sposób celowy, czyli inteligentnie zaprojektowany, odwrócić bieg zdarzeń. Jeżeli jednak na skutek braku wiedzy na temat systemów biologicznych i ich ograniczeń dochodzimy do wniosku, że biologia jest słabym projektem, któremu brak optymalności, to skutkiem naszych działań może być suboptymalność.
„Zatrważające” błędy?
Wykrycie optymalności w pewnych podstawowych strukturach biologicznych nie oznacza, że wszystkie systemy biologiczne są dobrze zaprojektowane. W szóstej minucie nagrania doktor DeBenedictis omawia zjawisko nakładania się sekwencji INK4a i ARF. Jako inżynier ujawnia ona swoją frustrację powodowaną przebiegiem tego procesu. Określa go mianem „głupiego błędu”, po czym argumentuje w sposób następujący:
Dla mnie ten obszar ludzkiego genomu jest czymś zatrważającym. W ciągu miliardów lat ewolucji genomy będą gromadzić te błędy. To zadziwiające. Żaden ludzki inżynier nie zaprojektowałby celowo czegoś takiego3.
Podstawowym argumentem doktor DeBenedictis jest to, że istnieje obszar genomu człowieka, gdzie nakładają się dwa geny, które są ważne dla tłumienia rozwoju nowotworów. Twierdzi ona, że z powodu tego nakładania się pojedyncza mutacja w regionie, w którym zjawisko to występuje, może zakłócić działanie obu genów, co spowoduje powstanie dwóch uszkodzonych lub zmutowanych genów zamiast jednego. Jej zdaniem byłoby lepiej, gdyby geny nie nakładały się na siebie, zmniejszając szansę pojawienia się potencjalnie szkodliwych mutacji. Jednak tylko dlatego, że nakładanie się INK4a/ARF jest nieintuicyjne, nie oznacza, że nie jest to najlepszy możliwy projekt. Mogą istnieć słuszne powody, dla których te dwa geny na siebie zachodzą.
Proces nachodzenie na siebie INK4a/ARF może rzeczywiście być postrzegany jako „głupi błąd”, jeżeli weźmie się pod uwagę tylko wyjaśnienia ewolucyjne. Zgodnie ze standardowymi modelami ewolucji geny nieustannie ulegają duplikacji i ewoluują, doprowadzając do powstania nowych funkcji. Jeżeli więc nakładający się region rzeczywiście jest szkodliwy, wówczas jego duplikacja, po której następuje subfunkcjonalizacja jednego genu w jednej kopii i drugiego genu w duplikacie, powinna być w stanie wyeliminować proces nakładania się. Przynajmniej tak mówią nam standardowe ujęcia ewolucji genów. Nawet przyjmując takie wyjaśnienia, to powtarzalność procesu nakładania się wydaje się sugerować, że zachodzi on z jakiegoś funkcjonalnego powodu i nie jest szkodliwą czy też źle zaprojektowaną właściwością genomu.
Z perspektywy teorii inteligentnego projektu jest to łatwiejsze do wyjaśnienia. Ten region może być niezbędnym biologicznym kompromisem, jeśli weźmiemy pod uwagę ograniczenia systemu. Aczkolwiek może to być również wynikiem niewłaściwej kompresji informacji biologicznej, która nastąpiła po zaprojektowaniu i doprowadziła do uszkodzeń genomu. Może być też tak, że fenomen tego mechanizmu wciąż nie został odkryty. By nieco wyjaśnić omawiany proces, przyjrzyjmy się znanym funkcjom nakładania się ramek odczytu.
Znane powody nachodzenia na siebie ramek odczytu
W ostatnich latach coraz więcej uwagi poświęca się nakładającym się genom, które są ciekawym przykładem procesu kodowania informacji biologicznych4. Dotychczas znane funkcje nakładających się sekwencji są zgodne z hipotezą kompresji danych, której założeniem jest, że czasami wymagane są podwójne kodowania, gdy istnieje silna biofizyczna granica wielkości genomu5. Jako że żyjemy w erze cyfrowej, wykorzystujemy przydatność kompresji danych za każdym razem, gdy kompresujemy surowy obraz lub plik audio, odpowiednio do formatu JPEG lub MP3. Uznajemy kompresję danych za konieczny kompromis, który zmniejsza przestrzeń i zasoby potrzebne do przesyłania danych.
Inna funkcja nakładających się genów polega na tym, że są one swoistymi żłobkami dla genów6. Nakładające się geny stanowią zagadkę funkcjonowania selekcji naturalnej, ponieważ dwa białka, z których każde podlega selekcji, są zakodowane w tym samym odcinku DNA. Selektywne siły działające na jedno białko ograniczają ewolucję drugiego. To ograniczenie może w rzeczywistości zmniejszyć przestrzeń poszukiwań sekwencji, umożliwiając rozwój nowego genu w oparciu o istniejącą informację genetyczną. Co ciekawe, ewolucja nakładających się otwartych ramek odczytu jest często asymetryczna. Oznacza to, że otwarta ramka odczytu jednego białka nabywa niesynonimiczne zmiany (wpływające na sekwencję aminokwasów), podczas gdy druga nabywa głównie mutacje synonimiczne (pozostawiając niezmienioną sekwencję aminokwasową). Tak jest w przypadku ARF i INK4a. Obszar ten podlega wysokiemu wewnętrznemu wskaźnikowi mutacji, ale ARF gromadzi prawie wszystkie niesynonimiczne mutacje, podczas gdy struktura INK4a pozostaje nienaruszona (zachodzą tylko mutacje synonimiczne, które nie zmieniają sekwencji aminokwasów w INK4a).
Innym powodem nakładania się ramek odczytu w pojedynczym transkrypcie jest sprzężenie transkrypcji i translacji.
Kuszące wyjaśnienia dotyczące nakładania się genów
Dla mnie te powody nie są zadowalające na tyle, żeby przekonująco wytłumaczyć zjawisko nakładania się INK4A i ARF. Wydaje się, że wysoki wewnętrzny współczynnik mutacji INK4a i ARF stoi w sprzeczności z funkcją tych białek jako supresorów nowotworowych. Jak napisał Radosław Szklarczyk: „Z punktu widzenia selekcji najbardziej sensowne byłoby utrzymanie praktycznie niezmiennego supresora nowotworu”7. Szklarczyk oferuje jednak bardziej kuszące wyjaśnienie procesu nakładania:
Jedną z możliwych korzyści ścisłego sprzężenia między INK4a i ARF może być współdzielenie regionu 3’-UTR. Oba mRNA wykazują niezwykłą stabilność, o której sądzi się, że jest ona określana głównie przez elementy sekwencji końca 3’ . Inną możliwością jest to, że region nakładania się może być podtrzymywany przez ewolucję, aby promować zmienność w celu wyeliminowania mutantów . Podczas gdy fragmenty genu (np. pojedyncze egzony) wymagają dużej zmienności, jeszcze inne fragmenty mogą być wybrane do mniejszych podstawień zmieniających aminokwasy. W takim przypadku pojedyncza mutacja w regionie nakładania się prowadziłaby do wielu podstawień aminokwasów, co z kolei spowodowałoby uruchomienie mechanizmów nadzoru organizmu8.
Chociaż powyżej wymienione powody mogą tłumaczyć proces nakładanie się INK4a i ARF, obecnie nie przeprowadzono wystarczającej liczby badań, aby potwierdzić, jak on właściwie zachodzi. Mamy jednak już pewne informacje na temat funkcji tego procesu. Jedno jest pewne: w świetle ograniczonego zrozumienia nakładających się genów, przedwczesne jest nazywanie nakładania się INK4a/ARF „głupim błędem”. Zamiast wysuwać śmiałe opinie o tym, czego jeszcze do końca nie poznaliśmy, należy kontynuować badania, które pozwolą jasno stwierdzić, czy jest to przykład szkodliwej kompresji informacji, czy też najlepsze rozwiązanie wielu sprzecznych ograniczeń, a być może genialny sposób ostrzegania systemów nadzoru, że istnieje problem z genami supresorowymi nowotworu w danej komórce. W kolejnym poście pokażę, dlaczego historia nauki skłania mnie do ostrożnego podejścia.
Emily Reeves
Oryginał: Is the INK4a/ARF Overlap a Settled Example of Poor Design?, „Evolution News & Science Today” 2021, May 20 [dostęp 15 IV 2022].
Przekład z języka angielskiego: Adam Jerzman
Źródło zdjęcia: Pixabay
Ostatnia aktualizacja strony: 15.04.2022
Przypisy
- Por. E. Reeves, Czy naukowcy powinni bawić się w Boga? Bioinżynier z MIT mówi TAK!, tłum. A Jerzman, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 6 kwietnia [dostęp 06 IV 2022]; E. Reeves, Skąd możemy wiedzieć, czy coś jest dobrze, czy słabo zaprojektowane?, tłum. A. Jerzman, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 8 kwietnia [dostęp 08 IV 2022]; E. Reeves, O optymalności obserwowanej w podstawowej infrastrukturze biologicznej, tłum. A. Jerzman, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 13 kwietnia [dostęp 13 IV 2022]; E. DeBenedictis, It’s Time for Intelligent Design, „YouTube” 2021, January 6 [dostęp 28 VIII 2021].
- Por. Reeves, O optymalności (przyp. tłum.).
- DeBenedictis, It’s Time for Intelligent Design.
- Por. A. Pavesi, Asymmetric Evolution in Viral Overlapping Genes is a Source of Selective Protein Adaptation, „Virology” 2019, Vol. 532, s. 39–47[dostęp 28 VIII 2021].
- Por. N. Chirico et al., Why Genes Overlap in Viruses, „NCBI” 2010, Vol. 277, No. 1701, s. 3809–3817 [dostęp 28 VIII 2021].
- Por. Pavesi, Asymmetric Evolution in Viral Overlapping Genes, s. 39–47.
- Por. R. Szklarczyk et al., Rapid Asymmetric Evolution of a Dual–Coding Tumor Suppressor INK4a/ARF Locus Contradicts Its Function, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 2007, Vol. 104, No. 31, s. 12807–12812 [dostęp 28 VIII 2021].
- Szklarczyk et al., Rapid Asymmetric Evolution, s. 12811.
Literatura:
- Chirico N. et al., Why Genes Overlap in Viruses, „Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences” 2010, Vol. 277, No. 1701, s. 3809–3817 [dostęp 28 VIII 2021].
- DeBenedictis E., It’s Time for Intelligent Design, „YouTube” 2021, January 6 [dostęp 28 VIII 2021].
- Hara E. et al., Regulation of p16CDKN2 Expression and Its Implications for Cell Immortalization and Senescence, „Molecular and Cellular Biology” 1996, Vol. 16, No. 3, s. 859–867 [dostęp 28 VIII 2021].
- Krakauer D.C., Plotkin J.B., Redundancy, Antiredundancy, and the Robustness of Genomes, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 2002, Vol. 99, No. 3, s. 1405–1409 [dostęp 28 VIII 2021].
- Pavesi A., Asymmetric Evolution in Viral Overlapping Genes is a Source of Selective Protein Adaptation, „Virology” 2019, Vol. 532, s. 39–47 [dostęp 28 VIII 2021].
- Szklarczyk R. et al., Rapid Asymmetric Evolution of a Dual-Coding Tumor Suppressor INK4a/ARF Locus Contradicts Its Function, „Proceedings of the National Academy of Sciences” 2007, Vol. 104, No. 31, s. 12807–12812 [dostęp 28 VIII 2021].
- Reeves E., Czy naukowcy powinni bawić się w Boga? Bioinżynier z MIT mówi TAK!, tłum. A Jerzman, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 6 kwietnia [dostęp 06 IV 2022].
- Reeves E., Skąd możemy wiedzieć, czy coś jest dobrze, czy słabo zaprojektowane?, tłum. A. Jerzman, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 8 kwietnia [dostęp 08 IV 2022].
- Reeves E., O optymalności obserwowanej w podstawowej infrastrukturze biologicznej, tłum. A. Jerzman, „W Poszukiwaniu Projektu” 2021, 13 kwietnia [dostęp 13 IV 2022].
Jak się nie powodzi wyjaśnianie funkcji, to się kwestionuje istote funkcji 🙂 O nakladajacych się na siebie genach napisałem tutaj – tak się złożyło, że ich istnienie przyczynilo się do falsyfikacji hipotezy samolubnego genu:
„Samolubny gen” prof. Richarda Dawkinsa czy „Samolubne geny” prof. Pawla Golika?
https://slawekp7.wordpress.com/2021/02/12/gggggggo/
O mutacjach synonimicznych napisałem tutaj:
https://slawekp7.wordpress.com/2021/09/08/w-biologii-slowo-ewolucja-ma-rozne-znaczenia-o-nielosowej-ewolucji-zmiennosci-w-ramach-normy-reakcji-na-srodowisko-adaptacyjne-mutacje-synonimiczne-funkcjonalne-pseudogeny-konwergencja/
„Mutacja synonimiczna to zmiana pojedynczego nukleotydu w genie (mutacja punktowa) nie powodująca zmiany aminokwasu w kodowanym białku ze względu na to, że kod genetyczny jest zdegenerowany, czyli jeden aminokwas może być kodowany przez kilka kodonów (np. zmiana CCC na CCU nie powoduje zmiany aminokwasu, gdyż obie trójki kodują prolinę). Wydaje się, że w niektórych przypadkach, jeśli zmiana następuje z kodonu preferowanego na rzadki, może to wpłynąć na szybkość syntezy białka, a to z kolei na szybkość jego zwijania, a zatem na jego strukturę przestrzenną, co może mieć wpływ na fenotyp.”
Dowody na adaptacyjne podstawienia synonimiczne, jako wyniki eksperymentalnych ewolucji drobnoustrojów
Susan F. Bailey, Luz Angela Alonso Morales , Rees Kassen Genome Biology and Evolution , tom 13,
wydanie 9, wrzesień 2021
„Często się zakłada , że mutacje synonimiczne są neutralne pod względem dostosowania do wymagań środowiska, ponieważ nie zmieniają kodowanego aminokwasu, a zatem nie mogą być „zauważone” przez dobór naturalny.
Jednak coraz więcej dowodów każe wnioskować, że mutacje synonimiczne mają wpływ na dostosowanie za pośrednictwem ewolucji adaptacyjnej, poprzez wpływ mutacji synonimicznych na ekspresję genów i fałdowanie białek.
W niniejszym artykule dokonujemy przeglądu tego, czego przeprowadzane przez licznych badaczy eksperymenty mikrobiologiczne nauczyły nas o roli i zaangażowaniu mutacji synonimicznych w mechanizmy adaptacyjne.
Przegląd opisanych w literaturze naukowej eksperymentów z mutagenezą ukierunkowaną ujawnił, że rozkłady efektów dostosowania dla mutacji niesynonimicznych i synonimicznych są bardziej do siebie podobne – szczególnie w przypadku mutacji korzystnych – niż się spodziewali biolodzy przekonani o neutralnym charakterze mutacji synonimicznych. Z tych korelacji wynika, że rola i zakres wkładu mutacji synonimicznych w możliwości adaptacyjne organizmów są częstsze niż by to wynikało z wcześniejszych obserwacji….
Polecam tez:
https://slawekp7.wordpress.com/2021/08/31/wazny-merytoryczny-wstep-metodologiczny/