Οι επιστήμονες ανακαλύπτουν ζωτικά γονίδια που εξελίσσονται στο Genome’s Junkyard

Συχνά πιστεύεται ότι τα βασικά γονίδια είναι παγωμένα στον εξελικτικό χρόνο – εξελίσσονται πολύ αργά, αν όχι καθόλου, επειδή η αλλαγή ή ο θάνατος θα οδηγούσε στον θάνατο του οργανισμού. Εκατοντάδες εκατομμύρια χρόνια εξέλιξης χωρίζουν τα έντομα και τα θηλαστικά, αλλά τα πειράματα δείχνουν ότι το Hox γονίδια που καθοδηγούν την ανάπτυξη των σωματικών σχεδίων στο Drosophila Οι μύγες των φρούτων και τα ποντίκια μπορούν να αντικατασταθούν χωρίς προβλήματα, επειδή μοιάζουν πολύ. Αυτή η αξιοσημείωτη εξελικτική διατήρηση είναι μια θεμελιώδης ιδέα στην έρευνα του γονιδιώματος.

Αλλά μια νέα μελέτη ανατρέπει αυτό το σκεπτικό για τη γενετική διατήρηση. Ερευνητές στο Κέντρο Έρευνας Καρκίνου Fred Hutchinson στο Σιάτλ ανέφεραν την περασμένη εβδομάδα στο eLife ότι μια μεγάλη κατηγορία γονιδίων στις μύγες των φρούτων είναι και απαραίτητη για την επιβίωση και εξελίσσεται εξαιρετικά γρήγορα. Στην πραγματικότητα, η ανάλυση των επιστημόνων υποδηλώνει ότι η ικανότητα των γονιδίων να αλλάζουν συνεχώς είναι το κλειδί για την ουσιαστική τους φύση. "Αυτό δεν αμφισβητεί μόνο το δόγμα, αλλά και το διώχνει από το νερό", είπε ο Χάρμιτ Μάλικ, ερευνητής του Ιατρικού Ινστιτούτου Χάουαρντ Χιουζ που επέβλεψε τη μελέτη.

«Αυτό το έργο είναι τόσο όμορφο», είπε ο Manyuan Long, ένας εξελικτικός γενετιστής στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο. «Οι ερευνητές διαπίστωσαν ότι η ταχέως μεταβαλλόμενη ετεροχρωματίνη οδηγεί την εξέλιξη νέων βασικών γονιδίων. Απλά καταπληκτικό!”

Απροσδόκητη σημασία του νέου

Στις δεκαετίες του 1970 και του ’80, η ιδέα ότι τα γονίδια για βασικές λειτουργίες είχαν εξαιρετικά διατηρημένες αλληλουχίες και το αντίστροφο κυριάρχησε στα πεδία της εξέλιξης και της αναπτυξιακής βιολογίας. Θεωρήθηκε ότι νέα γονίδια προέκυψαν σπάνια έως καθόλου. Αλλά στις αρχές της δεκαετίας του 2000, λίγοι ερευνητές είχαν δείξει ότι τα νεαρά, ταχέως εξελισσόμενα γονίδια δεν είναι σπάνια στη φύση. Αν και μεγάλα ερωτήματα περιέβαλαν την εξέλιξη της λειτουργίας σε αυτά τα νεαρά γονίδια, η υπόθεση ήταν ότι ήταν βασικά καμπανάκια και σφυρίχτρες, παρέχοντας μόνο μικρά, ουσιαστικά πλεονεκτήματα και βελτιώσεις, όχι τίποτα ζωτικής σημασίας για την επιβίωση.

Γι' αυτό ο Λονγκ εξεπλάγη τόσο το 2010, όταν αυτός και οι μαθητές του «γκρέμισαν» 200 νέα, νέα γονίδια στη Drosophila χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται παρεμβολή RNA. Σχεδόν το 30% αυτών των νεαρών γονιδίων αποδείχθηκε ότι ήταν απαραίτητα. οι μύγες πέθαναν χωρίς αυτές. Ακόμα πιο εκπληκτικό, όμως, ήταν ουσιαστικό περίπου το ίδιο ποσοστό παλαιών γονιδίων - μόνο το 25%-35% αυτών. Τα νεαρά γονίδια ήταν εξίσου πιθανό με τα παλιά να κωδικοποιήσουν βασικές λειτουργίες.

«Ήμουν πραγματικά σοκαρισμένος και πολύ ενθουσιασμένος», είπε ο Λονγκ. «Οι παλιές ιδέες του πεδίου, νιώσαμε, δεν ήταν σωστές, δεν ήταν σωστές». Επειδή η ανακάλυψή τους φαινόταν τόσο εικονοκλαστική, ο Λονγκ λέει ότι αποφάσισε να συγκεντρώσει δεδομένα προσεκτικά και να χρησιμοποιήσει νέες τεχνολογίες όπως το CRISPR για να το δοκιμάσει περαιτέρω. Η ομάδα του ενημέρωσε τη μελέτη του 2010 σε μια πρόσφατη προέκδοση, η οποία αντιμετώπισε ορισμένες μεθοδολογικές προκλήσεις από την προηγούμενη μελέτη και επέκτεινε την ανάλυσή της σε 702 νέα Drosophila γονίδια. Η νέα εργασία κατέληξε στα ίδια γενικά συμπεράσματα, αλλά έθεσε νέα ερωτήματα:Τι ακριβώς έκαναν αυτά τα νεαρά γονίδια και πώς έγιναν τόσο ζωτικά;

Σύγκριση του παλιού και του νέου

Για να το ανακαλύψουν, ο Malik και ο μεταπτυχιακός φοιτητής του Bhavatharini Kasinathan εστίασαν στο ZAD-ZNF γονίδια, τη μεγαλύτερη οικογένεια μεταγραφικών παραγόντων στα έντομα. Ορισμένα από αυτά είχαν επισημανθεί ως νέα βασικά γονίδια στην προηγούμενη μελέτη του Long, αλλά η λειτουργία τους δεν ήταν καλά κατανοητή. Περίπου 70 από αυτά τα ZAD-ZNF γονίδια αποδείχθηκε ότι υπάρχουν σε όλα τα Drosophila είδη, αλλά 20 όχι:Κερδίστηκαν και χάθηκαν πολλές φορές κατά τη διάρκεια 40 εκατομμυρίων ετών εξέλιξης των διαφόρων Drosophila είδη.

Προς έκπληξη των ερευνητών, τα 20 γονίδια ειδικά για το melanogaster ήταν εξίσου πιθανό να κωδικοποιήσουν βασικές λειτουργίες με τις 70 που είχαν διατηρηθεί αυστηρά για 40 εκατομμύρια χρόνια. Αυτά τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν ανεξάρτητα τις παρατηρήσεις του Long σε ολόκληρη τη Drosophila γονιδίωμα σε ένα αποτέλεσμα Long αποκαλεί "όμορφο".

Σε μια περίεργη ανατροπή, ωστόσο, οι Malik και Kasinathan παρατήρησαν ότι μεταξύ αυτών των 20 γονιδίων που είναι ειδικά για το D. μελανόγαστερ , οι πιο γρήγορα εξελισσόμενες ήταν πολύ πιο πιθανό να κωδικοποιήσουν βασικές λειτουργίες από τις πιο αργά εξελισσόμενες.

Σε αυτό το σημείο της έρευνάς τους, ο Malik είπε, «πραγματικά αρχίζεις να αμφισβητείς όλα όσα σκέφτεσαι από άποψη βιολογίας, επειδή λες «Περίμενε ένα λεπτό». Τι είναι αυτό;»

Αγωνισμός για να παραμείνετε σχετικοί

Για να εμβαθύνει σε αυτό το αινιγματικό αποτέλεσμα, ο Kasinathan αναζήτησε ενδείξεις για τις λειτουργίες του Nicknack και Oddjob, δύο βασικά ZAD-ZNF γονίδια που εξελίχθηκαν γρήγορα. Όταν έλεγξε πού ήταν ενεργοί μέσα στο Drosophila Τα κύτταρα, αντιμετώπισε μια άλλη έκπληξη:Αυτοί οι μεταγραφικοί παράγοντες δεν εντοπίστηκαν στην ευχρωματίνη, το τμήμα του γονιδιώματος όπου βρίσκονται τα περισσότερα γονίδια.

Αντίθετα, εντόπισαν την ετεροχρωματίνη - τις περιοχές του πυκνά συσκευασμένου DNA που διατηρούνται κυρίως σε σιωπηλή κατάσταση επειδή περιέχουν το μεγαλύτερο μέρος του μη κωδικοποιητικού DNA και άλλα αποκαλούμενα γονιδιωματικά σκουπίδια. Η ετεροχρωματίνη έχει αγνοηθεί σε μεγάλο βαθμό από τους μοριακούς βιολόγους, που τους αρέσει να επικεντρώνονται στην πλούσια σε γονίδια ευχρωματίνη όπου βρίσκεται το μεγαλύτερο μέρος της δράσης. Όμως, παρόλο που η ετεροχρωματίνη θεωρείται το βαρετό σκουπιδότοπο του γονιδιώματος, περιέχει μερικές αλληλουχίες απαραίτητες για την καθαριότητα των κυττάρων, όπως τα κεντρομερή, τα ριβοσωμικά RNA που βοηθούν στη δημιουργία πρωτεϊνών και μερικά ρυθμιστικά RNA που ελέγχουν την έκφραση γονιδίων σε όλο το γονιδίωμα. Επειδή εξελίσσεται τόσο γρήγορα, τα διαμερίσματα ετεροχρωματίνης σε διαφορετικά είδη εκτελούν λίγο πολύ τις ίδιες βασικές λειτουργίες, αλλά οι υποκείμενες αλληλουχίες DNA τους είναι εντελώς διαφορετικές.

Σύμφωνα με τον Malik, αυτό εξηγεί γιατί το Oddjob και Νικνάκ εξελίσσονται τόσο γρήγορα:Πρέπει να προσαρμοστούν στο μεταβαλλόμενο περιβάλλον DNA της ετεροχρωματίνης για να παραμείνουν λειτουργικά. Κατά κάποιο τρόπο, μοιάζουν με τα γονίδια του ανοσοποιητικού συστήματος, τα οποία αλλάζουν γρήγορα για να συμβαδίζουν με τα ταχέως εξελισσόμενα παθογόνα σε ένα είδος κούρσας εξοπλισμών. Αλλά σε αυτή την περίπτωση, ο Malik είπε, "Είναι σχεδόν σαν ένας αγώνας εξοπλισμών που συμβαίνει στο γονιδίωμα, απλώς για να διατηρηθεί μια βασική λειτουργία."

Για να διερευνήσουν περαιτέρω τη λειτουργία αυτών των δύο γονιδίων, οι ερευνητές αντάλλαξαν αντίγραφα του Nicknack μεταξύ του αδελφού είδους D. melanogaster και Δ. simulans για να δούμε αν οι δύο εκδόσεις του γονιδίου θα μπορούσαν να αντικαταστήσουν λειτουργικά η μία την άλλη. Περιέργως, βρήκαν ότι το Nicknack από το melanogaster θα μπορούσε να σώσει τους simulans τα θηλυκά αλλά όχι τα αρσενικά. Αυτό συμβαίνει επειδή τα αρσενικά έχουν ένα τεράστιο χρωμόσωμα Υ γεμάτο ετεροχρωματίνη, εξηγεί ο Malik:The Nicknack από το melanogaster μπορεί να επαναφέρει αρκετή λειτουργία για να εξασφαλίσει την επιβίωση σε simulans θηλυκά, αλλά κατακλύζεται από όλη την ταχέως εξελισσόμενη ετεροχρωματίνη στα simulans αρσενικά.

«Στην ανάπτυξη, σκεφτόμαστε τα γονίδια που είναι πραγματικά σημαντικά… να είναι εξαιρετικά διατηρημένα», είπε ο Kasinathan. «Αλλά εδώ υπάρχει μια περίπτωση μιας οικογένειας γονιδίων που είναι πραγματικά σημαντική για την ανάπτυξη και ανταλλάσσετε ακόμη και στενά συνδεδεμένους παράγοντες μεταγραφής και δεν λειτουργεί. Αυτό είναι εκπληκτικό και κάπως ωραίο."

Πώς να είστε απαραίτητοι

Είναι επίσης παράδοξο:Εάν τα νέα γονίδια είναι απαραίτητα, πώς ζούσαν οι προηγούμενοι οργανισμοί χωρίς αυτά; Ο Μάλικ βλέπει δύο πιθανότητες. Το ένα είναι ότι ένα προγονικό γονίδιο παραχώρησε τη λειτουργία του σε ένα νέο γονίδιο. Το άλλο είναι ότι το νέο γονίδιο εκτελεί μια λειτουργία που δεν χρειάζονταν οι προγονικοί οργανισμοί. Τα είδη σήμερα αντιμετωπίζουν προβλήματα που δεν είχαν οι πρόγονοί τους και αυτά τα νέα προβλήματα απαιτούν νέες λύσεις. Αλλά "τι θα συμβεί αν είναι στην πραγματικότητα η εξέλιξη αυτών των αλληλουχιών ετεροχρωματίνης που δημιούργησε πρώτα την ανάγκη για αυτήν τη βασική λειτουργία;" ρώτησε ο Malik.

«Η ίδια η βασική λειτουργία μπορεί να μην διατηρηθεί, και αυτό είναι μια αιρετική έννοια», συνέχισε. «Δεν λέμε απλώς ότι τα βασικά γονίδια δεν διατηρούνται. Στην πραγματικότητα λέμε ότι είναι πιθανό να μην διατηρηθούν οι βασικές συναρτήσεις, επειδή όλα εξαρτώνται από το πλαίσιο."

Ο Kasinathan και ο Malik στρέφουν τώρα την προσοχή τους στο άλλο ZAD-ZNF παράγοντες μεταγραφής, πολλοί από τους οποίους εντοπίζονται επίσης στην ετεροχρωματίνη. «Αυτό το διαμέρισμα του γονιδιώματος που βασικά αγνοήσαμε επειδή είναι πολύ φτωχό σε γονίδιο… είναι στην πραγματικότητα, τουλάχιστον για το ZAD-ZNF s, η απάντηση σε αυτό το παράδοξο των νεαρών γονιδίων να γίνεται ουσιαστική», είπε ο Malik.

Αυτή η εικόνα θα μπορούσε να αποδειχθεί σημαντική για τον εντοπισμό γονιδίων που σχετίζονται με μια ποικιλία ιατρικών καταστάσεων και βιολογικών μυστηρίων. «Αν ενδιαφέρεστε για τη λειτουργία των κεντρομερών, εάν κοιτάξετε μόνο τα γονίδια που είναι πλήρως διατηρημένα σε ανθρώπους, ζυμομύκητες και μύγες, μπορεί να σας λείπουν πολύ σημαντικά γονίδια που είναι πιθανοί θεραπευτικοί στόχοι», είπε ο Malik. "Έχουμε αφήσει τη διαίσθησή μας και το δόγμα μας να μας προκατέχουν σε σημείο που μπορεί να μας λείπει πολύ σημαντική βιολογία."

Διόρθωση:16 Νοεμβρίου 2020
Το άρθρο αρχικά ανέφερε λάθος τη διάρκεια του Η εξέλιξη της Drosophila στα 60 εκατομμύρια χρόνια, αντί για 40 εκατομμύρια.