Γενετικές μάχες εντός των κυττάρων μπορεί να δημιουργήσουν νέα είδη

Στα πολύπλοκα κύτταρα των ανθρώπων και άλλων οργανισμών, δύο διαφορετικά γονιδιώματα συνεργάζονται για να συντηρήσουν τη ζωή. Το μεγαλύτερο γονιδίωμα, με το DNA που κωδικοποιεί χιλιάδες γονίδια, βρίσκεται στον πυρήνα του κυττάρου, ενώ αντίγραφα του πολύ μικρότερου βρίσκονται σε όλα τα οργανίδια που παράγουν ενέργεια που ονομάζονται μιτοχόνδρια. Κανονικά, εργάζονται σε ήσυχη συμμαχία.

Ωστόσο, τα τελευταία πέντε χρόνια, οι επιστήμονες άρχισαν να επικεντρώνονται στις συνέπειες της αναντιστοιχίας μεταξύ των δύο. Τα αναδυόμενα στοιχεία δείχνουν ότι αυτή η «μιτονοπυρηνική σύγκρουση» μπορεί να δημιουργήσει μια σφήνα μεταξύ των οργανισμών, μετατρέποντας πιθανώς ένα είδος σε δύο. Είναι πολύ νωρίς για να πούμε πόσο συχνά η μιτονοπυρηνική σύγκρουση λειτουργεί ως δύναμη στην ειδοπλασία, αλλά οι ερευνητές συμφωνούν ότι η καλύτερη κατανόηση αυτής της έντασης μπορεί να βοηθήσει στην επίλυση μυστηρίων σχετικά με το τι φράγμα χωρίζει ορισμένους φαινομενικά παρόμοιους πληθυσμούς σε διαφορετικά είδη.

Πριν από περισσότερα από 1,5 δισεκατομμύρια χρόνια, ένα αρχαίο βακτήριο στριμώχτηκε μέσα σε ένα άλλο απλό κύτταρο. Αντί να αφομοιώσει τον παρεμποδιστή, το μεγαλύτερο κύτταρο το αφήνει να κολλήσει για την πολύτιμη ενέργεια που παρήγαγε. Σε αντάλλαγμα, ο εισβολέας βρήκε καταφύγιο και προστασία από τα αρπακτικά, και με τη διάρκεια χιλιάδων γενεών εξελίχθηκε στο μιτοχόνδριο, το οποίο παράγει ενέργεια με τη μορφή ενός μορίου που ονομάζεται ATP. Έτσι ξεκίνησε το πολύπλοκο ευκαρυωτικό κύτταρο, μια αρχέγονη συνεργασία που έχει εξελιχθεί σε μια από τις πιο επιτυχημένες προσπάθειες της ζωής.

Η απόδειξη της προέλευσης του μιτοχονδρίου επιβιώνει στο υπολειπόμενο γονιδίωμα που εξακολουθούν να φέρουν τα μιτοχόνδρια - ένας μικρός δακτύλιος DNA που μοιάζει πολύ με αυτόν στα βακτήρια. Για εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια, μερικά από τα μιτοχονδριακά γονίδια μετακινήθηκαν στο μακρύ, γραμμικό γονιδίωμα στον πυρήνα του ευκαρυωτικού κυττάρου, αλλά το μιτοχόνδριο κρέμονταν από μια χούφτα γονιδίων που παρέμειναν απαραίτητα για τη λειτουργία του οργανιδίου. (Τα ανθρώπινα μιτοχόνδρια φέρουν μόλις 37 γονίδια.) Το κύτταρο συναρμολογεί τα πρωτεϊνικά σύμπλοκα που βοηθούν τα μιτοχόνδρια να παράγουν ATP με δομικά στοιχεία τόσο από μιτοχονδριακά όσο και από πυρηνικά γονίδια. Αυτό απαιτεί το πυρηνικό και το μιτοχονδριακό γονιδίωμα να συνεργάζονται και να προσαρμόζονται παράλληλα.

Όλο και περισσότερες μελέτες υποδεικνύουν αυτή τη συν-προσαρμογή ως έναν ουσιαστικό αλλά κυρίως παραβλέπεται παράγοντα για την υγεία και την επιβίωση των οργανισμών. "Και αυτό έχει μεγάλες επιπτώσεις στην αντίληψή μας για τα είδη και τη φυσική επιλογή", δήλωσε ο Geoffrey Hill, ορνιθολόγος και εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο Auburn.

Ασυμβίβαστα ξαδέρφια

Τα τελευταία 40 χρόνια, ο θαλάσσιος εξελικτικός γενετιστής Ρον Μπάρτον καταδιώκει πισίνες κατά μήκος της ακτής του Ειρηνικού, οπλισμένος με ένα δίχτυ ψαριών ενυδρείου αναζητώντας ένα μικροσκοπικό καρκινοειδές που ονομάζεται Tigriopus californicus . Πληθυσμοί αυτού του πορτοκαλί κωπηπόποδου ζουν από τη χερσόνησο της Μπάχα Καλιφόρνια μέχρι την Αλάσκα και ο Μπάρτον έχει περάσει ολόκληρη την καριέρα του εξετάζοντας τις γενετικές διαφορές μεταξύ αυτών των ομάδων. Δεν αποτελεί έκπληξη το γεγονός ότι τα κωπηπόποδα που βρήκε ο Burton έξω από το εργαστήριό του στο Ινστιτούτο Ωκεανογραφίας Scripps στο Σαν Ντιέγκο σχετίζονταν πιο στενά με τα δείγματα που έβγαλε από τις πισίνες της παλίρροιας στη Μπάχα Καλιφόρνια παρά με εκείνα που βρίσκονται πάνω από 2.000 μίλια βόρεια στην ακτή της Αλάσκας. Ο Μπάρτον αναρωτήθηκε ποια μπορεί να είναι η σημασία των γενετικών διαφορών τους.

Για να το ανακαλύψουν, αυτός και οι συνάδελφοί του εκτράφηκαν κωπηπόποδα από πληθυσμούς που ελήφθησαν δείγματα σε όλη την ακτή. Δεν ανέτρεψαν απλώς κωπηπόποδα από τον ίδιο πληθυσμό. συγκέντρωσαν επίσης αρσενικά και θηλυκά διαφορετικών ομάδων. Η πρώτη γενιά αυτών των υβριδικών απογόνων - η F1 - φαινόταν φυσιολογική και υγιής όταν το εργαστήριο ξεκίνησε αυτά τα πειράματα στα τέλη της δεκαετίας του 1980. Ωστόσο, όταν ο Burton εξέθρεψε τη γενιά της F1 με τον εαυτό της, εμφανίστηκαν προβλήματα.

Αυτή η δεύτερη γενιά, η F2, είχε λιγότερους νέους και δεν επιβίωσε σε ορισμένες περιβαλλοντικές πιέσεις όπως τα μη υβριδικά. Αυτά τα αποτελέσματα σήμαιναν ότι παρόλο που η διασταύρωση μεταξύ των γεωγραφικά διαχωρισμένων πληθυσμών κωπηπόποδων ήταν τεχνικά δυνατή, οι εξελικτικές κάρτες στοιβάζονταν ενάντια στη μακροπρόθεσμη επιβίωση των υβριδικών απογόνων στη φύση.

Οι ερευνητές ήθελαν να μάθουν γιατί η δεύτερη γενιά τα πήγε τόσο άσχημα. Για τον Burton, μόνο τα μιτοχονδριακά προβλήματα θα μπορούσαν ενδεχομένως να εξηγήσουν αυτές τις δυσκολίες. Η προηγούμενη εργασία του είχε δείξει ότι όχι μόνο τα πυρηνικά γονιδιώματα του T. californicus ποικίλλουν μεταξύ των πληθυσμών, το ίδιο και τα μιτοχονδριακά γονιδιώματά τους. Δεδομένου ότι η σωστή μιτοχονδριακή λειτουργία απαιτούσε την αλληλεπίδραση των πρωτεϊνών που παράγονται και από τα δύο γονιδιώματα, ο Burton υπέθεσε ότι μια αναντιστοιχία μεταξύ μιτοχονδριακού και πυρηνικού DNA βρισκόταν στην καρδιά των προβλημάτων του F2.

«Οι άνθρωποι που σκέφτονταν για τη λειτουργία των μιτοχονδρίων δεν ήταν εξελικτικοί βιολόγοι και οι εξελικτικοί βιολόγοι δεν σκέφτονταν τα μιτοχόνδρια, επομένως κανείς δεν συνδύαζε πραγματικά αυτές τις δύο ιδέες», είπε ο Burton. Τα κωπέποδά του και η εικασία του αποκάλυψαν πώς οι δυνάμεις της φυσικής επιλογής μπορούσαν να δράσουν σε μια από τις κεντρικές διαδικασίες της ζωής.

Η εξέλιξη μέσω της φυσικής επιλογής εξαρτάται από τη μεταβλητότητα του γονιδιώματος. Εάν το DNA είναι γραμμένο σε πέτρα, η φυσική επιλογή δεν έχει καμία παραλλαγή στην οποία να ενεργήσει. Λίγο μετά την ανακάλυψη του μιτοχονδριακού γονιδιώματος στη δεκαετία του 1960, οι επιστήμονες υπέθεσαν ότι τα γονίδια που κωδικοποιούνται από αυτό το DNA ήταν τόσο κεντρικά για την κυτταρική λειτουργία που έπρεπε να αντισταθούν στην περαιτέρω διαμόρφωση από τη φυσική επιλογή. Οι δυνάμεις της φύσης δεν είχαν χώρο να πειραματιστούν. Ή έτσι πήγε η θεωρία.

«Πάντα πίστευα ότι αυτή ήταν μια κακή ιδέα», παραδέχτηκε ο Burton. Αντίθετα, προκύπτουν στοιχεία ότι το μιτοχονδριακό DNA είναι πολύ πιο μεταβλητό από ό,τι πίστευαν οι ερευνητές. Επειδή το μιτοχονδριακό DNA δεν διαθέτει δυνατότητες ελέγχου του DNA για σφάλματα και επιδιόρθωσης του, στα ζώα μεταλλάσσεται κατά μέσο όρο 10 φορές πιο συχνά από το αντίστοιχο πυρηνικό του. (Η διαφορά ποικίλλει σημαντικά:Στα κωπέποδα, το μιτοχονδριακό DNA μεταλλάσσεται 50 φορές πιο συχνά.) Αυτή η μεταβλητότητα δεν σημαίνει ότι τίποτα δεν πάει καλά. Οι συντηρητικές εξελικτικές δυνάμεις που δρουν στα μιτοχόνδρια είναι τόσο ισχυρές που οι λάθος αλλαγές στην αλληλουχία DNA τους μπορεί να δημιουργήσουν προβλήματα. Γίνετε μάρτυρας της σοβαρότητας της μιτοχονδριακής νόσου, που προκαλείται από ελαττώματα στα μιτοχόνδρια, τα οποία στον άνθρωπο μπορεί να προκαλέσουν επιληπτικές κρίσεις, εγκεφαλικό επεισόδιο, αναπτυξιακές καθυστερήσεις ή ακόμα και θάνατο.

Στους εξελικτικούς βιολόγους, αυτό το υψηλό ποσοστό μετάλλαξης έθεσε ένα ενδιαφέρον ερώτημα:Πώς ανταποκρίνεται το πυρηνικό γονιδίωμα σε αυτή τη μιτοχονδριακή μεταβλητότητα και το σαμποτάρισμα της συνεργασίας τους; Επιπλέον, ένας οργανισμός κληρονομεί το μιτοχονδριακό DNA του μόνο από τη μητέρα του, αντί και από τους δύο γονείς όπως το πυρηνικό του γονιδίωμα. Αυτό το διαφορετικό μοτίβο κληρονομικότητας δίνει στα μιτοχονδριακά γονίδια μια διαφορετική εξελικτική ατζέντα από ότι το πυρηνικό DNA.

«Ό,τι είναι καλό για το ένα γονιδίωμα μπορεί να μην είναι καλό για το άλλο», λέει η Elina Immonen, εξελικτική γενετιστής και ερευνήτρια στο Πανεπιστήμιο της Ουψάλα. "Τα αρσενικά και τα θηλυκά μπορεί επίσης να έχουν διαφορετικά εξελικτικά ενδιαφέροντα."

Η αναντιστοιχία των εξελικτικών δυνάμεων στα μιτοχονδριακά και πυρηνικά γονιδιώματα μπορούσε να φανεί στα κωπέποδα F2 του Burton. Εξήγαγε μιτοχόνδρια από τα κύτταρά τους και μέτρησε την παραγωγή ενέργειας των μιτοχονδρίων τους με τη μορφή ATP. Τα υβρίδια F2 παρήγαγαν σημαντικά λιγότερο ATP από τα μη υβριδικά αντίστοιχά τους, μια σαφής ένδειξη μιτοχονδριακής δυσλειτουργίας.

Η επιβεβαίωση της μιτονοπυρηνικής σύγκρουσης προέκυψε όταν οι ερευνητές εκτράφηκαν αρσενικά F2 με θηλυκά από τους αρχικούς μητρικούς πληθυσμούς. Αυτός ο «πίσω διασταύρωση» συνδύασε ξανά τα σωστά πυρηνικά γονίδια με τα ιστορικά σωστά μιτοχονδριακά γονίδια τους και έσωσε την προκύπτουσα γενιά F3:Αυτοί οι απόγονοι δεν υπέστησαν τη μειωμένη ζωή και τη μειωμένη γονιμότητα των πατέρων τους F2. (Επειδή τα μιτοχόνδρια κληρονομούνται μόνο από τη μητέρα, οι πατρικές διασταυρώσεις δεν είχαν ευεργετική επίδραση.)

Αυτά τα πειράματα καθιέρωσαν μερικά από τα πρώτα στοιχεία για τη σημασία της μιτονοπυρηνικής σύγκρουσης στα άγρια ​​ζώα. Άλλες εργασίες στη μύγα φρούτων Drosophila melanogaster αποκάλυψε μια άλλη πτυχή της μιτονοπυρηνικής σύγκρουσης. Ο Jonci Wolff στο Πανεπιστήμιο Monash στην Αυστραλία και οι συνεργάτες του ακτινοβόλησαν αρσενικές μύγες για να δημιουργήσουν μεγάλους αριθμούς μεταλλάξεων DNA και στη συνέχεια ζευγάρωσαν αυτές τις μύγες με θηλυκά που είχαν το ίδιο πυρηνικό γονιδίωμα αλλά ένα από τα έξι διαφορετικά μιτοχονδριακά γονιδιώματα. Όπως περιέγραψαν οι ερευνητές σε μια εργασία που δημοσιεύτηκε τον Απρίλιο για το bioRxiv, το ποσοστό των ωαρίων κάθε θηλυκής που εκκολάπτονταν διέφερε ανάλογα με το μιτοχονδριακό γονιδίωμα που έφερε.

Αυτό το αποτέλεσμα έδειξε ότι το μιτοχονδριακό γονιδίωμα παίζει κανονικά σημαντικό ρόλο στην οδό επιδιόρθωσης του DNA, αλλά και ότι οι μεταλλάξεις στο μιτοχονδριακό DNA μπορούν να επηρεάσουν το πόσο καλά αλληλεπιδρά με το πυρηνικό DNA. "Υπάρχει μια τεράστια αντίθεση μεταξύ του μικρού μεγέθους του γονιδιώματός του και του πόσο σημαντικό είναι το μιτοχόνδριο", είπε ο Wolff.

Καμία από αυτές τις μελέτες δεν ήταν επαρκής για να δείξει ότι αυτή η δύναμη μπορούσε να χωρίσει μια ομάδα οργανισμών σε δύο ξεχωριστά είδη. Αυτά τα στοιχεία βρισκόταν κατά μήκος της ανατολικής ακτής της Αυστραλίας.

Μιτονοπυρηνική σφήνα μεταξύ πληθυσμών

Όταν οι πρώτες ακτίνες του ήλιου της ημέρας έπληξαν την Αυστραλία μετά το μακρύ ταξίδι τους πάνω από τον απέραντο γαλάζιο Ειρηνικό, οι ασημένιες φούσκες του Eastern Yellow Robin τους υποδέχονται με ενθουσιασμό. Καθώς ο αμερικανός κοκκινολαίμης βρίσκεται στις Ηνωμένες Πολιτείες, το Eastern Yellow είναι ένα κοινό πουλί της αυλής από τη Μελβούρνη μέχρι το Μπρίσμπεϊν, με τη λαμπερή κίτρινη κοιλιά του να παρέχει μια λάμψη χρώματος σε ένα μπλε-γκρι κεφάλι και στην πλάτη. Πριν από περίπου δύο εκατομμύρια χρόνια, το κοινό πουλί της αυλής άρχισε να χωρίζεται σε μια νότια ομάδα που ζει στα πιο εύκρατα κλίματα της Βικτώριας και της Νέας Νότιας Ουαλίας και σε μια βόρεια ομάδα που ζει στο πιο τροπικό Κουίνσλαντ. Το τεράστιο μέγεθος της επικράτειάς τους κρατά τα περισσότερα από τα βόρεια και νότια κοκκινοφόρα χωριστά.

Όταν ο εξελικτικός βιολόγος Hernán Morales ήταν μεταπτυχιακός φοιτητής στο Monash, ανέλυσε την αλληλουχία του DNA του Eastern Yellow Robin. Η αλληλουχία του έδειξε ότι ξεκινώντας περίπου 270.000 χρόνια πριν, τα πουλιά κατά μήκος της ψυχρής, πιο υγρής ακτής άρχισαν να αποκλίνουν από τα πουλιά που ζούσαν στην ενδοχώρα, όπου είναι πιο ζεστό και ξηρό. Ο Μοράλες διαπίστωσε ότι οι παράκτιες και οι εσωτερικές ομάδες διέφεραν στο μιτοχονδριακό γονιδίωμά τους και σε ένα μικρό μέρος του πυρηνικού τους γονιδιώματος, συμπεριλαμβανομένης μιας χούφτας αλλαγών σε πρωτεΐνες στην αλυσίδα μεταφοράς ηλεκτρονίων που παράγει ενέργεια. Έγινε περίεργος για τις αλληλεπιδράσεις μεταξύ των μιτοχονδριακών και των πυρηνικών γονιδιωμάτων ως πιθανές σφήνες που χωρίζουν τα παράκτια και τα εσωτερικά κοκκινολαίμη.

«Είναι ένα πολύ ωραίο παράδειγμα μιτονοπυρηνικής συνεξέλιξης και το τέλειο σύστημα για να ρωτήσουμε αν υπάρχουν πυρηνικά γονίδια με μιτοχονδριακή λειτουργία που έχουν επίσης αυτή τη γεωγραφική κατανομή», δήλωσε ο Maulik Patel, γενετιστής στο Πανεπιστήμιο Vanderbilt. "Αν το βρείτε αυτό, θα πρότεινε ότι έχετε συνεξέλιξη μεταξύ μιτοχονδριακών και πυρηνικών γονιδίων."

Ο Morales και οι συνεργάτες του εντόπισαν 565 γενετικούς δείκτες που διέφεραν μεταξύ των παράκτιων και των εσωτερικών πτηνών. Πολλές από αυτές τις διαφορές συγκεντρώνονται σε μια χρωμοσωμική περιοχή που κωδικοποιεί πυρηνικά γονίδια που αλληλεπιδρούν με μιτοχονδριακά γονίδια. Η φυσική επιλογή είχε εξαλείψει τη μεταβλητότητα γύρω από αυτά τα γονίδια, γεγονός που υποδηλώνει ότι τα παράκτια και τα πτηνά της ενδοχώρας είχαν χτυπήσει έναν στενό συνδυασμό συμβατών πυρηνικών και μιτοχονδριακών γονιδίων. Επειδή αυτός ο συνδυασμός είναι τόσο συγκεκριμένος, πιθανότατα επιλέγονται υβρίδια με λάθος συνδυασμούς, γεγονός που κρατά τους παράκτιους και εσωτερικούς πληθυσμούς των κοκκινολαίμηδων σε μεγάλο βαθμό ξεχωριστούς. Το να αποκαλούμε αυτά τα παράκτια και τα ενδοχώρα πτηνά διαφορετικά είδη θα ήταν εύκολο, αλλά φαίνεται να είναι προσαρμοσμένα στις τοπικές τους συνθήκες και να έχουν διαφοροποιηθεί το ένα από το άλλο. (Ο Μοράλες, τώρα στο Πανεπιστήμιο του Γκέτεμποργκ στη Σουηδία, και οι συνάδελφοί του δημοσίευσαν μια περιγραφή αυτής της εργασίας στο bioRxiv τον Ιούνιο. Επειδή αυτή η εργασία είναι υπό εξέταση σε ένα επιστημονικό περιοδικό, ο Μοράλες δεν μπόρεσε να μιλήσει στο Quanta για το έργο του.)

«Το μιτοχονδριακό και το πυρηνικό γονιδίωμα ακολουθούν διαφορετικά μονοπάτια, τα οποία επιλέγουν έναντι των υβριδίων και θα μπορούσαν να δημιουργήσουν την αναπαραγωγική απομόνωση που απαιτείται για ένα νέο είδος», δήλωσε ο Ντάρεν Ίργουιν, εξελικτικός βιολόγος στο Πανεπιστήμιο της Βρετανικής Κολομβίας.

Στον Geoffrey Hill του Auburn, η μελέτη του Morales επισημαίνει τη σημασία της μιτονοπυρηνικής συνπροσαρμογής ως σημαντικής εξελικτικής δύναμης. Σε ένα άρθρο του Απριλίου στο The Auk , ο Hill περιέγραψε αυτό που ονόμασε την έννοια του μιτοχονδριακού είδους, η οποία δηλώνει ότι ένα είδος είναι μια ομάδα οργανισμών με συν-προσαρμοσμένα μιτοχονδριακά και πυρηνικά γονιδιώματα.

«Αυτό δεν είναι παράπλευρη σημείωση άλλων ιδεών. Αυτό είναι τόσο κεντρικό όσο μπορείτε», είπε ο Hill.

Ο Μπάρτον δεν διαφωνεί με την ιδέα ότι η μιτονοπυρηνική σύγκρουση και η συν-προσαρμογή μπορεί να είναι ισχυρές εξελικτικές δυνάμεις, ακόμη και αυτές που βοηθούν στο σχηματισμό νέων ειδών. Αλλά προειδοποιεί ότι δεν υπάρχουν αρκετά στοιχεία που να υποστηρίζουν την ιδέα ότι η μιτονοπυρηνική σύγκρουση από μόνη της μπορεί να δημιουργήσει νέα είδη. Ούτε οι ερευνητές έχουν μελετήσει αρκετά συστήματα και έχουν πραγματοποιήσει αρκετά πειράματα αλληλουχίας και άλλα πειράματα για να πουν με σιγουριά πόσο συνηθισμένη είναι πραγματικά η μιτονοπυρηνική σύγκρουση.

Ο Immonen συμφώνησε με αυτή την άποψη. "Η κριτική επιτροπή είναι ακόμα έξω για αυτό", είπε.

Εάν η ιδέα ισχύει - και ο Burton και ο Patel πιστεύουν και οι δύο στη σημασία της - θα παρείχε θεμελιώδεις νέες γνώσεις για το πώς εξελίσσονται τα είδη. "Οι επιστήμονες γνωρίζουν πόσο σημαντικό είναι το μιτοχόνδριο", είπε ο Patel, "αλλά αυτή η εργασία θα δείξει τη σημασία του στην εξέλιξη."