Στο Sexy Worms, η κληρονομικότητα πέρα ​​από τα γονίδια μπορεί να βοηθήσει την εξέλιξη

Το να παίζεις το παιχνίδι ζευγαρώματος είναι επικίνδυνο. Οι οργανισμοί πρέπει να αντιμετωπίσουν τον υπαρξιακό κίνδυνο ότι η λανθασμένη επιλογή θα μπορούσε να καταδικάσει τις μελλοντικές γενιές σε μια ζωή κακών γονιδίων. Πρέπει επίσης να αντιμετωπίσουν πιο άμεσα βάρη και κινδύνους:Οι συμμετέχοντες πρέπει να συγκεντρώσουν πόρους για φλερτ και να καλέσουν ενέργεια για να κυνηγήσουν έναν πιθανό συνεργάτη. Τα ζώα που ασχολούνται με ερωτικές δραστηριότητες αποτελούν επίσης εύκολους στόχους για τα αρπακτικά.

Δεν προκαλεί έκπληξη, λοιπόν, ότι όταν οι καιροί είναι καλοί, το στρογγυλό σκουλήκι Caenorhabditis elegans δεν ασχολείται με τη διαδικασία. Ως ως επί το πλείστον ερμαφρόδιτο είδος (με λίγα αρσενικά που ρίχνονται για ποικιλία), ένα C. elegans Το σκουλήκι συνήθως αυτογονιμοποιεί τα ωάρια του μέχρι να εξαντληθεί το σπέρμα του στο τέλος της ζωής του. μόνο τότε παράγει μια φερομόνη για να προσελκύσει τα αρσενικά και να παραμείνει στο αναπαραγωγικό παιχνίδι. Αλλά όταν οι περιβαλλοντικές συνθήκες γίνονται αγχωτικές, τα σκουλήκια γίνονται σεξουαλικά ελκυστικά πολύ νωρίτερα. Για αυτούς, το σεξ ισοδυναμεί με ένα πέρασμα Hail Mary — ένα απελπισμένο στοίχημα ότι εάν οι απόγονοί τους είναι πιο διαφορετικοί γενετικά, κάποιοι θα τα πάνε καλύτερα κάτω από τις νέες, πιο σκληρές συνθήκες.

Οι επιστήμονες θεώρησαν ότι αυτή η μετατόπιση που προκαλείται από το άγχος ήταν καθαρά φευγαλέα. Αλλά πρόσφατα, όταν επιστήμονες στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ αύξησαν το C. elegans σε πολύ ζεστές συνθήκες για περισσότερες από 10 γενιές, ανακάλυψαν ότι τα σκουλήκια συνέχισαν να είναι σεξουαλικά ελκυστικά για αρκετές ακόμη γενιές αφού μεταφέρθηκαν σε πιο δροσερό περιβάλλον. Είναι μια παρατήρηση που υπογραμμίζει πώς η κληρονομικότητα δεν περιορίζεται πάντα σε μια απλή καταγραφή των γονιδίων στους οργανισμούς και μπορεί να υποδεικνύει έναν μηχανισμό που λειτουργεί παράλληλα με την παραδοσιακή φυσική επιλογή στη διαμόρφωση της εξέλιξης ορισμένων οργανισμών.

Ως το νέο έγγραφο στο Αναπτυξιακό Κύτταρο δείχνει, η αιτία αυτού του χαρακτηριστικού δεν ήταν μια γενετική αλλαγή στο DNA του σκουληκιού, αλλά μια κληρονομική «επιγενετική» αλλαγή που επηρέασε τον τρόπο χρήσης του DNA. Οι ερευνητές - ο ανώτερος συγγραφέας Oded Rechavi, βιολόγος στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ, ο πρώτος συγγραφέας Itai Toker (τώρα μεταδιδακτορικός υπότροφος στο Πανεπιστήμιο Columbia) και οι συνάδελφοί τους - εντόπισαν ένα μικρό μόριο RNA που μπορεί να περάσει μεταξύ των γενεών για να δώσει σήμα για την παραγωγή της φερομόνης. . Στην πραγματικότητα, αυτό το κληρονομήσιμο μόριο RNA βελτιώνει τις πιθανότητες να εξελιχθούν τα σκουλήκια σε στρεσογόνες στιγμές.

«Η επιγενετική έχει αυτή τη διπλή λειτουργία:Είναι συστήματα κληρονομικότητας, αλλά είναι επίσης συστήματα απόκρισης. Αντιδράτε στο περιβάλλον όχι περιμένοντας μια μετάλλαξη αλλά αλλάζοντας τον τρόπο που εκφράζετε τα γονίδιά σας», είπε η Eva Jablonka, γενετιστής και φιλόσοφος της επιστήμης στο Πανεπιστήμιο του Τελ Αβίβ, η οποία δεν συμμετείχε στη μελέτη.

Η κυρίαρχη άποψη για την εξέλιξη τον περασμένο αιώνα ήταν ότι τα νέα πλεονεκτήματα που βελτιώνουν την καταλληλότητα των πληθυσμών και των ειδών πρέπει να προέρχονται ως μεταλλάξεις του DNA. Αλλά στον Tai Montgomery, βιολόγο RNA στο Κρατικό Πανεπιστήμιο του Κολοράντο, η νέα μελέτη παρέχει πολύτιμες ενδείξεις σχετικά με τη δυνατότητα βραχυπρόθεσμης επιγενετικής κληρονομικότητας να επηρεάσει και τη μακροπρόθεσμη εξέλιξη.

«Πρόκειται για μια δελεαστική μελέτη που επισημαίνει τη δυνατότητα για την επιγενετική κληρονομικότητα των πληροφοριών που στην πραγματικότητα οδηγεί στην εξέλιξη μέσω αλλαγών στην αλληλουχία DNA μέσα σε έναν πληθυσμό», είπε.

Σπάζοντας το δόγμα της ουράς του ποντικιού

Η έννοια της επιγενετικής εξερευνήθηκε για πρώτη φορά τη δεκαετία του 1880, μια ιδιαίτερα κακή στιγμή για να είσαι ποντίκι στο Φράιμπουργκ της Γερμανίας.

Στις προσπάθειές του να διαχωρίσει τα κληρονομήσιμα χαρακτηριστικά από τα μη κληρονομήσιμα, ο βιολόγος August Weismann ακρωτηρίασε τις ουρές εκατοντάδων ποντικών και στη συνέχεια τα άφησε να αναπαραχθούν για να δει αν τα ποντίκια θα μεταδώσουν τη νέα τους κατάσταση χωρίς ουρά στους απογόνους τους. Αφού πέρασε από πέντε γενιές ποντικών και μια αρκετά μεγάλη στοίβα ροζ ουρών, ο Weismann κατέληξε στο συμπέρασμα ότι κανένας ακρωτηριασμός της ουράς δεν θα οδηγούσε σε απογόνους χωρίς ουρά. Έγραψε σε ένα βιβλίο δοκιμίων του 1888 ότι αυτά τα «επίκτητα χαρακτηριστικά» δεν κληρονομήθηκαν επειδή δεν επηρέαζαν το σπέρμα και το ωάριο. Για τους επόμενους βιολόγους, το φράγμα Weismann σήμαινε ότι τα χαρακτηριστικά που προέκυψαν λόγω του περιβάλλοντος δεν μπορούσαν να μεταδοθούν.

Ρωγμές σε αυτό το δόγμα άρχισαν να εμφανίζονται τη δεκαετία του 1940 όταν ο Βρετανός βιολόγος Conrad Waddington πειραματίστηκε με μύγες φρούτων. Οι επιστήμονες γνώριζαν ότι η υποβολή των νύμφων της μύγας σε έναν παλμό θερμότητας τα έκανε να ωριμάσουν σε ενήλικα άτομα που δεν είχαν χαρακτηριστική εγκάρσια (ή «διασταυρούμενη») φλέβα στα φτερά τους. Αλλά όταν ο Waddington επανέλαβε τη θερμική επεξεργασία στους απογόνους των «χωρίς φλεβώδη» μύγες φρούτων, παρατήρησε ότι τελικά άρχισαν να τους λείπει η διασταυρούμενη φλέβα ακόμα και χωρίς θερμοκρασιακό σοκ. Σε αντίθεση με τα ποντίκια του Weismann, κληρονόμησαν το επίκτητο χαρακτηριστικό.

Ο Waddington δεν είχε αλλάξει το DNA των μυγών. Αντίθετα, είχε αλλάξει κάτι άλλο, «τις αλληλεπιδράσεις των γονιδίων με το περιβάλλον τους που δημιουργούν τον φαινότυπο», όπως το έθεσε. Ονόμασε αυτό επιγενετική επειδή λειτουργούσε πάνω από ή πάνω από τη γενετική.

Εάν οι αλληλουχίες DNA είναι οι λέξεις στο βιβλίο της ζωής, τότε η επιγενετική είναι η στίξη, που σηματοδοτεί τη διαφορά ανάμεσα στο «Ας φάμε, γιαγιά!» και «Ας φάμε γιαγιά!» Λέγοντας στον μηχανισμό μετάφρασης πρωτεϊνών του κυττάρου πού να εργαστεί και πόσο ενεργό να είναι, τα επιγενετικά σήματα μπορούν να λειτουργήσουν είτε επιπρόσθετα στα υπάρχοντα γενετικά σήματα είτε ως εκδήλωση αυτών των γενετικών εντολών. Αυτό το επίπεδο ρύθμισης παρέχει μια διεπαφή μεταξύ του γονιδιώματος (το οποίο σπάνια αλλάζει) και του περιβάλλοντος (το οποίο είναι πάντα σε ροή), εξήγησε ο Έρικ Γκριρ, επιγενετιστής στην Ιατρική Σχολή του Χάρβαρντ.

"Η επιγενετική υπάρχει στη διεπαφή μεταξύ του περιβάλλοντος και της γενετικής", είπε.

Μόλις τη δεκαετία του 1970 οι επιστήμονες θα άρχιζαν να ανακαλύπτουν πώς λειτουργεί η επιγενετική. Στην πραγματικότητα, εξακολουθούν να αποκαλύπτουν το πλήθος των μηχανισμών που χρησιμοποιούν τα κύτταρα για τη ρύθμιση της γονιδιακής δραστηριότητας. Η κλασική επιγενετική ρύθμιση - όπως ανακάλυψε ο Waddington - περιλαμβάνει χημικές ετικέτες που συνδέονται με το DNA και τροποποιήσεις των πρωτεϊνών ιστόνης που αλλάζουν πόσο εύκολα ένα γονίδιο μπορεί να μεταφραστεί σε πρωτεΐνη. Η ανάπτυξη των εργαλείων μοριακής βιολογίας, ωστόσο, επέτρεψε πιο πρόσφατα στους ερευνητές να εντοπίσουν άλλους επιγενετικούς μηχανισμούς που εξαρτώνται από μικρά μόρια RNA σε ασπόνδυλα όπως το C. elegans .

Αυτά τα αποσπάσματα μονόκλωνων νουκλεϊκών οξέων έχουν μια ενσωματωμένη τάση για αλλαγή της γονιδιακής δραστηριότητας. Πολλά από αυτά τα μόρια RNA είναι εφήμερα, διαρκούν μόνο λεπτά ή ώρες. Άλλοι είναι πιο επίμονοι.

Για παράδειγμα, οι βιολόγοι Andrew Fire (τώρα στο Πανεπιστήμιο του Στάνφορντ), Craig Mello (της Ιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου της Μασαχουσέτης Chan) και οι συνάδελφοί τους έδειξαν το 1998 ότι η έγχυση μικρών κομματιών «παρεμβατικού RNA» (RNAi) θα μπορούσε να εμποδίσει τη μετάφραση του αγγελιοφόρου RNA, και ότι αυτά τα αποτελέσματα θα μπορούσαν να κληρονομηθούν σε γονιμοποιημένα ωάρια για αρκετές γενιές. Για την ανακάλυψή τους αυτού του φαινομένου, το οποίο ονόμασαν γονιδιακή σίγηση, οι Fire και Mello έλαβαν το Νόμπελ Φυσιολογίας ή Ιατρικής το 2006.

Στα χρόνια που πέρασαν, οι ερευνητές βρήκαν στοιχεία σε ασπόνδυλα για την επιγενετική κληρονομικότητα που βασίζεται στο RNA της αποφυγής των παθογόνων, της ανταπόκρισης στα οσφρητικά σημάδια, της μακροζωίας και πολλά άλλα. Το πώς ακριβώς κληρονομείται η γονιδιακή σίγαση είναι ακόμα υπό μελέτη, αλλά κατά κάποιο τρόπο είτε τα μόρια RNAi είτε οι οδηγίες για να περάσουν από τους γονείς στους απογόνους.

«Μόνο τα τελευταία χρόνια αρχίσαμε να είμαστε σε θέση να παρέχουμε πραγματικά κάποιες αποδείξεις ότι τα ίδια τα μικρά RNA μπορούν να είναι το σκάφος που πραγματικά μεταφέρει πληροφορίες από τη μια γενιά στην άλλη», δήλωσε η Lamia Wahba, μεταδιδακτορική υπότροφος στο εργαστήριο Fire στο Στάνφορντ.

Από εξελικτική άποψη, είναι λογικό τα επιγενετικά αποτελέσματα να είναι κληρονομήσιμα, είπε ο Greer. Με λίγες μέρες μεταξύ των γενεών, οι απόγονοι του C. elegans είναι πιθανό να αντιμετωπίσουν περιβαλλοντικές συνθήκες όπως αυτές που βιώνουν οι γονείς τους. Η προετοιμασία των μελλοντικών γενεών για ζέστη, πείνα ή άλλους στρεσογόνους παράγοντες θα μπορούσε να τις βοηθήσει να επιβιώσουν σε δύσκολες συνθήκες.

Θα μπορούσε όμως αυτός ο τύπος επιγενετικής κληρονομικότητας που βασίζεται σε RNA να αλλάξει τη μακροπρόθεσμη εξελικτική τροχιά ενός οργανισμού; Ή, εφόσον το χαρακτηριστικό δεν ήταν μόνιμα ενσωματωμένο στο DNA, θα ήταν πολύ παροδικό για να έχει μια μόνιμη επίδραση στον πληθυσμό; "Αυτή ήταν μια ανοιχτή ερώτηση που θέλαμε να αντιμετωπίσουμε", είπε ο Toker.

Οι συνήθειες ζευγαρώματος του C. elegans πρόσφερε έναν τρόπο να μάθετε. Για περισσότερο από μια δεκαετία, είναι γνωστό ότι στο C. elegans , όταν τα πράγματα δυσκολεύουν, οι σκληροί ζευγαρώνουν. Ο Rechavi και ο Toker συνειδητοποίησαν ότι εάν ένα μικρό RNA προκαλούσε το επίκτητο χαρακτηριστικό της ελκυστικότητας, τότε θα μπορούσαν να μετρήσουν την εξελικτική του σημασία μέσω της επίδρασής του στη γενετική παραλλαγή στον πληθυσμό. Η γενετική παραλλαγή είναι τελικά η πρώτη ύλη για τη φυσική επιλογή.

Πώς τα σκουλήκια έγιναν καυτά

Ενώ μια παραμονή στους 25 βαθμούς Κελσίου μπορεί να είναι ιδανικές διακοπές για τον άνθρωπο, έχει οριακή θερμοκρασία έως C. elegans . Αν οι επιστήμονες ανέβασαν τη θερμοκρασία για λίγες μόνο γενιές, δεν συνέβησαν πολλά. Τα σκουλήκια συνέχισαν να παράγουν την αρσενική φερομόνη μόνο όταν δεν είχαν το δικό τους σπέρμα. Αλλά όταν ο Toker και ο Rechavi επέκτειναν τη θερμότητα για πάνω από 10 γενιές, ανακάλυψαν ότι τα σκουλήκια άρχισαν να εκκρίνουν τη φερομόνη πολύ νωρίτερα στη ζωή τους, πολύ πριν μειωθεί το δικό τους απόθεμα σπέρματος. Περιέργως, αυτό το μοτίβο συνεχίστηκε για τρεις γενιές αφού τα σκουλήκια επέστρεψαν σε ψυχρότερες συνθήκες (20 C).

Ο Toker και ο Rechavi έπρεπε πρώτα να επιβεβαιώσουν ότι τα μικρά RNA ήταν υπεύθυνα για το κληρονομικό αποτέλεσμα ζευγαρώματος. Αυτό αποδείχτηκε αλήθεια:Όταν οι ερευνητές εμπόδισαν τη μετάδοση των βραχέων παρεμβαλλόμενων RNAs μεταξύ των γενεών, οι απόγονοι δεν εξέφρασαν τη φερομόνη για να προσελκύσουν πρόωρα τους συντρόφους.

Στη συνέχεια, ο Toker και ο Rechavi έλεγξαν την πρόβλεψή τους ότι η διαγενεακή επιγενετική αλλαγή θα μπορούσε να επηρεάσει τη γενετική ποικιλότητα του πληθυσμού των σκουληκιών. Διαπίστωσαν ότι παρόλο που τα σκουλήκια με κληρονομική ελκυστικότητα έκαναν 15% λιγότερα σπερματοζωάρια κατά μέσο όρο, ζευγαρώνουν πιο συχνά. Ως αποτέλεσμα, τα γονίδιά τους εξαπλώθηκαν γρήγορα στον πληθυσμό, τόσο σε πειράματα ανταγωνισμού ζευγαρώματος πολλών γενεών όσο και σε μαθηματικές προσομοιώσεις. Με αυτόν τον τρόπο, το επιγενετικό αποτέλεσμα φαινόταν να αυξάνει την «εξελικτικότητα» των σκουληκιών, βελτιώνοντας τις πιθανότητες οποιαδήποτε χρήσιμα νέα γενετικά χαρακτηριστικά που εντόπισαν να ριζώσουν γρήγορα στον πληθυσμό.

Ωστόσο, η Coleen Murphy του Πανεπιστημίου του Πρίνστον, η οποία μελετά επίσης τη διαγενεακή επιγενετική κληρονομικότητα στα σκουλήκια, δεν είναι ακόμη πεπεισμένη ότι το παρατηρούμενο αποτέλεσμα σχετίζεται με τον πραγματικό κόσμο. Για 10 γενιές (περίπου ένα μήνα), ο Rechavi και ο Toker έπρεπε να διατηρούν τα σκουλήκια σε ένα στενό εύρος θερμοκρασίας μεταξύ 25 C και 27 C:αρκετά ζεστό για να δει το φαινόμενο του πρώιμου ζευγαρώματος να γίνεται κληρονομικό αλλά όχι τόσο ζεστό που να προκαλεί τα σκουλήκια να εισέλθουν. αυτό που ονομάζεται κατάσταση στάσης «dauer» αντί για αναπαραγωγή.

«Δεν ξέρω πώς να ερμηνεύσω αυτή τη σημασία», είπε.

Ο Τόκερ συμφωνεί ότι ο σχεδιασμός εργαστηριακών πειραμάτων για να αντικατοπτρίζουν με μεγαλύτερη ακρίβεια τα φαινόμενα του πραγματικού κόσμου είναι ένα μεγάλο ζήτημα για το πεδίο, και αυτό που οι επιστήμονες δεν έχουν ακόμη επιλύσει. Το να δείξουμε ότι αυτή η επιγενετική κληρονομικότητα μπορεί να συμβεί στο εργαστήριο είναι μόνο το πρώτο βήμα προς την κατανόηση της συνολικής σημασίας της, είπε.

Ένα άλλο σημαντικό ερώτημα που αρχίζουν να αντιμετωπίζουν οι βιολόγοι είναι εάν η επιγενετική κληρονομικότητα πολλών γενεών συμβαίνει στα σπονδυλωτά. Παρόλο που οι επιστήμονες έχουν βρει δελεαστικές ενδείξεις ότι αυτό μπορεί να συμβαίνει στα θηλαστικά, ακόμη και στους ανθρώπους, πολλοί επιστήμονες δεν έχουν πειστεί. Τα στοιχεία για μια τέτοια κληρονομιά, υποστηρίζουν, είναι στην καλύτερη περίπτωση περιστασιακά. Επισημαίνουν επίσης ότι οι απόγονοι ζώων με μεγάλη διάρκεια ζωής είναι λιγότερο πιθανό να βιώσουν τις ίδιες περιβαλλοντικές συνθήκες με τους γονείς τους, καθιστώντας την επιγενετική κληρονομικότητα λιγότερο ωφέλιμη. Τον Ιανουάριο του 2022, οι ερευνητές στο Πανεπιστήμιο McGill και στο Πανεπιστήμιο του Σικάγο απέτυχαν να επαναλάβουν προηγούμενα ευρήματα που έδειχναν ότι τα ποντίκια θα μπορούσαν να κληρονομήσουν επιγενετικά «αναμνήσεις» προηγούμενων λοιμώξεων.

Ωστόσο, το πρόσφατο Αναπτυξιακό Κύτταρο Το έγγραφο επιβεβαιώνει στον Μοντγκόμερι ότι ακόμη και μια φαινομενικά προσωρινή αλλαγή στην επιγενετική κληρονομικότητα κατά τη διάρκεια πολλών γενεών μπορεί να διαμορφώσει την εξέλιξη ορισμένων μορφών ζωής.

Όταν ένας οργανισμός προσαρμόζεται σε ένα μεταβαλλόμενο περιβάλλον μέσω γενετικών μεταλλάξεων, δεσμεύεται σε αυτόν τον νέο τρόπο ζωής, εξήγησε. Εάν το περιβάλλον αλλάξει ξανά, ο οργανισμός θα βρεθεί προσαρμοσμένος σε συνθήκες που δεν υπάρχουν πλέον. Οι επιγενετικές αλλαγές μπορεί να προσφέρουν μια πιο σταδιακή ενδιάμεση λύση - έναν τρόπο αντιμετώπισης ενός μεταβαλλόμενου περιβάλλοντος και ακόμη και συμμετοχής στη φυσική επιλογή προτού κλειδωθεί στο DNA μια πιο μόνιμη γενετική αλλαγή.

«Αυτή η διαγενεακή επιγενετική κληρονομιά θα μπορούσε να σας επιτρέψει να προσαρμοστείτε προσωρινά στο περιβάλλον σας», είπε ο Μοντγκόμερι. "Θα μπορούσατε να έχετε αυτό το χρονικό διάστημα για να δοκιμάσετε το περιβάλλον ... και να αποφασίσετε σε ποιο σημείο δεσμεύεστε να είναι αυτή η νέα πραγματικότητα."

Για τον Wahba, αυτή η εργασία είναι ένα ακόμη βήμα για την κατανόηση των ολοένα διευρυνόμενων περιπλοκών της εξέλιξης και της φυσικής επιλογής.

«Είναι λίγο πιο περίπλοκο από τις αρχικές ιδέες του Δαρβίνου», είπε. "Υπάρχει ένα τεράστιο μέρος της κληρονομικότητας που δεν μπορεί να εξηγηθεί από τη γενετική."

Σημείωση του συντάκτη:Η Coleen Murphy είναι ερευνήτρια της Simons Collaboration on Plasticity and the Aging Brain, που χρηματοδοτείται από το Simons Foundation, το οποίο χρηματοδοτεί επίσης αυτό το εκδοτικά ανεξάρτητο περιοδικό.