20. Kacznowski, Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzecego (2009)(2).pdf

Tom 58 2009

Numer 3–4 (284–285)

Strony 403–416

A ndrzej K AczAnowsKi

Instytut Zoologii

Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego

Miecznikowa 1, 02-096 Warszawa

E-mail: kaczan@biol.uw.edu.pl

EWOLUCJA ISTOTNYCH CECH BUDOWY ORGANIZMU ZWIERZĘCEGO

UWAGI DOTYCZĄCE EWOLUCJI PROGRAMU ROZWOJU ZWIERZĄT I DZIEDZICTWA

GENETYCZNEGO CZŁOWIEKA

Pytania dotyczące procesu ewolucji nie

sprowadzają się jedynie do działania dobo-

ru naturalnego na stosunkowo niewielkie

różnice dotyczące ostatecznych cech organi-

zmu, takie jak kolor sierści, piór, repertuar

przeciwciał i wiele innych. Pragniemy także

poznać, w jaki sposób zachodziła ewolucja

istotnych cech budowy ciała zwierząt i ro-

ślin. Ostateczna forma zwierzęcia i człowieka,

jest wynikiem procesu rozwojowego i dla-

tego istotne zmiany w budowie organizmu

są wynikiem zmian, jakie zaszły w trakcie

ewolucji w samym programie rozwoju. Nie

można sprowadzać ich do liczby różnic w

sekwencjach DNA lub białek. Poniższy tekst

nie będzie jednak systematycznym wykładem

biologii i ewolucji rozwoju, co wymagałoby

napisania całej książki. Będą to tylko niektó-

re uwagi dotyczące wymienionej wyżej tema-

tyki, które stanowią wyraz poglądów autora.

UWAGI DOTYCZĄCE ZAWARTOŚCI INFORMARTYCZNEJ GENOMU

OGRANICZENIE ZAWARTOŚCI INFORMATYCZNEJ

GENOMU JAKO SKUTEK OBCIĄżENIA

MUTACYJNEGO

Nawet w niewielkich komórkach Proka-

ryota zmienność alleliczna (mutacje) oraz do-

bór naturalny mogą tworzyć praktycznie nie-

ograniczoną liczbę kombinacji przy zachowa-

niu tej samej liczby genów. Jednakże powsta-

wanie coraz bardziej złożonych organizmów

wymagało rozszerzenia zapisu genetycznego,

a więc powstawania nowych genetycznych

loci. Nowe loci powstawały na drodze dupli-

kacji istniejących genów i różnicowania się

ich funkcji (K rzAnowsKA 1997, K ubicz 1999,

M AKAłowsKA i współautorzy 2009; artykuły

b AbiKA i K orony w tym zeszycie KOSMOSU).

Proces ten musiał jednak zachodzić w bardzo

oszczędny sposób. Chociaż dobrze wiemy, że

proces ewolucji zachodzi na drodze doboru

naturalnego i mutacji to rzadko myślimy o

tym, że większość mutacji obniża dostoso-

wanie organizmu. Mutacje są więc źródłem

obciążenia genetycznego ( L ). Obciążenie to

( L 1 ), liczone na pojedynczy locus (1), stanowi

zmniejszenie dostosowania genotypu spowo-

dowane wyłącznie przez jego mutowanie, a

L total liczone dla całego genomu będzie dane

przez równanie

w total = 1 – L total = (1 – L 1 ) × (1- L 2 ) × ……. × (1-

L n )

Gdzie w total oznacza rzeczywiste dosto-

sowanie całego genomu, a liczba 1 oznacza

teoretyczną wartość dostosowania, jaka wy-

stępowałaby wówczas kiedy nie zachodziłyby

mutacje, a L 1, L 2 … L n obciążenia poszczegól-

Praca finansowana przez grant Ministersrwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr NN 303 091 134.

404

A ndrzej K AczAnowsKi

nych loci (j AcquArd 1974). Jeżeli prawdopo-

dobieństwo mutowania danego locus liczone

na linię komórek płciowych i na haploidal-

ny genom na pokolenie oznaczymy jako υ,

to obciążenie genetyczne tego locus będzie

równe υ — dla alleli recesywnych i 2 υ dla

alleli dominujących (j AcquArd 1974, o hno

1985). Można z pewnym przybliżeniem sza-

cować, że tak liczone prawdopodobieństwo

zmutowania genu ( υ ) u ssaków wynosi

1/100 000. Oznacza to, że gdybyśmy mieli

w genomie 100 000 genów kodujących biał-

ka, to w ciągu życia każdego z nas powsta-

wałaby średnio jedna niekorzystna mutacja

przekazywana naszym dzieciom. Już wiele lat

temu wyliczono, że znaczne przekroczenie

granicy 100 000 genów u ssaka lub człowieka

pociągałoby za sobą w sposób nieunikniony

ekstynkcję gatunku z powodu obciążenia ge-

netycznego (o hno 1985). ł oMnicKi (artykuł

Dobór naturalny w tym zeszycie) opisał w

jaki sposób ekspresja niekorzystnych, najczę-

ściej recesywnych mutacji w homozygotach

prowadzi do usuwania ich z populacji. Ale

szkodliwe allele nie mogą być do końca usu-

nięte z odpowiednio dużej populacji nawet

wówczas, kiedy homozygoty szkodliwego

allelu są całkowicie letalne, ponieważ pozo-

staną one w osobnikach hetetozygotycznych

(patrz artykuł ł oMnicKiego Dobór naturalny

w tym zeszycie KOSMOSU). Jednocześnie w

wyniku mutowania powstają nowe mutacje

danego locus podobne do tych, które są usu-

wane w wyniku selekcji. Wprawdzie rzadko

występujące mutacje dominujące i letalne są

natychmiast usuwane z populacji, ale nawet

wówczas będą one pojawiać się z prawdopo-

dobieństwem równym prawdopodobieństwu

mutowania danego locus x 2 1 . Nie można bo-

wiem zatrzymać procesu mutowania, tak jak

nie można powstrzymać rozpadu promienio-

twórczego pierwiastków.

Omawiając prawdopodobieństwo muto-

wania warto pamiętać o tym, że w organi-

zmach wyższych występują bardzo dobrze

rozwinięte mechanizmy samej naprawy DNA

w trakcie replikacji, jak też mechanizmy wy-

krywania i usuwania postreplikacyjnych mo-

dyfikacji chemicznych pojedynczych nukle-

otydów, reperacji uszkodzeń dwuniciowych i

jednoniciowych jakie mogą powstawać przed

i po okresie replikacyjnym i wreszcie mecha-

nizmy, które wstrzymują podziały komórek z

uszkodzonym DNA. Te ostatnie hamują prze-

bieg cyklu komórkowego i dają czas na repe-

racje uszkodzonego DNA, albo eliminują ko-

mórki na drodze programowanej śmierci ko-

mórek czyli apoptozy (o czym napiszę dalej).

Mimo tych wszystkich zabezpieczeń genom

jest stale narażony na uszkodzenia i dlatego

genetyka populacji przewiduje, że nie może

on być zbyt duży. Teoretyczne ograniczenie

„bezpiecznej” liczby genów danego genomu

można przyrównać do pojemności informa-

tycznej komputera. Natomiast rzeczywistą

liczbę genów w genomie można przyrównać

do zawartości informatycznej wprowadzonej

do komputera.

RZECZYWISTA LICZBA GENóW W GENOMIE

Ponieważ żyjemy obecnie w erze „geno-

miki”, a nawet niektórzy mówią, że „post ge-

nomiki”, to znamy już odpowiedź na pytanie,

które nurtowało wielu badaczy w ubiegłym

stuleciu, jaka jest rzeczywista wielkość i licz-

ba genów kodujących białka genomu ludz-

kiego i niektórych innych genomów

Już w 2001 r. ogłoszono prawie pełną

sekwencje genomu ludzkiego, która wynosi

około 3 x 10 9 , czyli około 3 miliardy par za-

sad (i nternAtionAl c onsortiuM 2001). Jest to

ogromna liczba, która mogłaby odpowiadać

nawet liczbie 1 000 000 genów szacując, że

średni gen może mieć 3000 par zasad. W 2001

r. oszacowano jednak, że genom ludzki zawie-

ra jedynie 32 000 genów kodujących białka i

ta liczba jest dla naszych rozważań dużo waż-

niejsza niż liczba wszystkich par zasad. Póź-

niej okazało się nawet, że liczba ta jest jeszcze

mniejsza i wynosi tylko 22 500, co tłumaczy

się głównie tym, że średnio co drugi gen pod-

lega tak zwanemu alternatywnemu wycinaniu

(ang. alternative splicing), co oznacza, że dany

gen może kodować więcej niż jedno białko

(i nternAtionAl c onsortiuM 2004). Były to

dobre wiadomości, tłumaczące dlaczego w

ogromnej większości przypadków rodzą się

zdrowe dzieci (chociaż wszyscy wiemy jakim

nieszczęściem są wrodzone, niczym nie zawi-

nione wady genetyczne). Już wcześniej wia-

domo było, że u drożdży piekarniczych liczba

genów wynosi około 6000, u muszki owoco-

1 Powstawanie nowych dominujących mutacji w populacji ludzkiej wykazano np. badając już w latach 40. pojawianie się chon-

drodystrofii w jednym z duńskich szpitali położniczych. Jest to dominująca wada genetyczna, polegająca na zbyt szybkim kost-

nieniu chrząstek, które powoduje bardzo niski ostateczny wzrost człowieka („karłowatość”). Wada ta może być zdiagnozowana

już w momencie urodzenia się dziecka. W badaniach tych zanotowano 8 przypadków chondrodystrofii na 95000 urodzeń, u

dzieci, których obydwoje rodzice a także inni członkowie rodziny mieli całkowicie normalny wzrost. A więc nie ulegało wątpli-

wości, że były to nowe mutacje, które powstały w komórkach rozrodczych jednego z rodziców (j AcquArd 1974).

Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzęcego

405

wej 12–13 000, a u nicienia Caenorabditis ele-

gans 18000. Podane zestawienie zawiera więc

dwa paradoksy. Pierwszym jest to, że genom

ludzki zawiera niewiele więcej genów kodują-

cych białka, niż genom nicienia, chociaż ciało

nicienia zawiera jedynie około 1000 komórek,

a ciało ludzkie około 10 13 . Drugim paradok-

sem jest to, że genom nicienia zawiera dużo

więcej genów niż genom Drosophila , pomimo

tego, że budowa nicienia jest dużo prostsza

niż budowa muchy 2 . Wprawdzie złożoność or-

ganizmu ludzkiego nie sprowadza się tylko do

liczby komórek, to powyższe zestawienie jest

pouczające i wskazuje na to, że ewolucja or-

ganizmalna i ewolucja zawartości informatycz-

nej genomu nie przebiegały w sposób koline-

arny. Niezwykle mała liczba genów człowieka

w stosunku do stopnia złożoności organizmu

oznacza, że informacja genetyczna człowieka

i zwierząt wyższych musi być zorganizowana

w sposób niezwykle oszczędny, a więc w spo-

sób hierarchiczny 3 .

ROLA CZYNNIKóW TRANSKRYPCYJNYCH W HIERARCHICZNEJ REGULACJI EKSPRESJI GENóW

I JEJ ZNACZENIE W ROZWOJU ORGANIZMU

Ciało zwierzęcia powstaje w wyniku zło-

żonego procesu rozwojowego, składa się z

wielu narządów i tkanek. Ostatecznie zróżni-

cowane komórki zaprogramowane są w taki

sposób, że aktywne są w nich różne geny,

które determinują syntezę tylko małej, ale

specyficznej puli określonych białek stano-

wiących o ich specyficzności tkankowej. I

tak na przykład komórki naskórka wytwarza-

ją keratynę, fibroblasty m.in. włókna kolage-

nowe, erytroblasty, hemoglobinę itp., a inne

komórki tego samego organizmu ich nie

wytwarzają. A przecież wszystkie komórki

naszego organizmu pochodzą z tej samej zy-

goty, mają taki sam genom, a różnice pomię-

dzy nimi wynikają tylko z tego, że ekspresja

poszczególnych genów jest w nich inaczej

zaprogramowana.

Jak to się dzieje? W genomie występu-

ją geny nadrzędne, z których każdy reguluje

aktywność (transkrypcję) wielu „podlega-

jących im” genów, które nie kodują ani he-

moglobiny ani kollagenu ani keratyny, lecz

białka, które określane są mianem czynników

transkrypcyjnych. Czynniki transkrypcyjne

wzmacniają tranksrypcję regulowanego genu

dzięki temu, że łączą się z krótkimi sekwen-

cjami zwanymi wzmacniaczami (ang. enhan-

cers) tego genu, które najczęściej znajdują

się przed promotorem a więc przed tym od-

cinkiem DNA, do którego przyłącza się poli-

meraza RNA. Rzadziej wzmacniacze znajdują

się za końcem transkrybowanego genu. Od-

działywanie czynnika transkrypcyjnego na

polimerazę wymaga wypętlania się samej nici

DNA, tak jak to przedstawiono na Ryc. 1.

Ryc. 1 . Uproszczony schemat oddziaływania

czynników transkrypcyjnych na proces trans-

krypcji.

Polimeraza RNA II (zależna od DNA) przyłącza się do

promotora transkrybowanego genu. Dodatkowe czyn-

niki transkrypcyjne TF1, TF2 i TF3 przyłączają się do

krótkich specyficznych sekwencji wzmacniaczy E1, E2

i E3, które leżą przed promotorem, a niekiedy poza

miejscem terminacji transkrypcji, powodując wypętla-

nie się nici DNA. Z kolei, wypętlenie nici DNA umoż-

liwia oddziaływanie czynników transkrypcyjnych na

cząsteczkę polimerazy, które prowadzi do wzmocnie-

nia lub wyciszenia transkrypcji danego genu.

2 Nicienie mają chitynowy oskórek i dlatego wraz ze stawonogami należą do nadtypu Ecdyzoa . Większość gatun-

ków obecnie żyjących nicieni, to małe, 1mm nicienie glebowe o bardzo uproszczonej budowie ciała. Istnieją dane

paleontologiczne wskazujące na redukcję ich wielkości w trakcie ewolucji. Nicienie posiadają bardzo rozwinięty

repertuar genów ograniczających wzrost ciała, co może być jedną z przyczyn ich nieoczekiwanie dużej liczby ge-

nów. Inną przyczyną mogą być adaptacje fizjologiczne nicieni do potencjalnie bardzo różnorodnych warunków

panujących w glebie np. do obecności mikroorganizmów, które wytwarzają toksyny.

3 Jak wynika z przytoczonych danych, w genomie ludzkim obok bardzo oszczędnego zapisu istotnej informacji

genetycznej występuje ogromna ilość niekodującego DNA, któremu nie można przypisać określonej funkcji. Ar-

tykuł K orony w tym zeszycie KOSMOSU omawia prawdopodobne pochodzenie tego balastu na drodze działania

dryfu genetycznego w stosunkowo ograniczonych liczebnie populacjach wyższych organizmów.

406

A ndrzej K AczAnowsKi

Ryc. 2. Schemat wielostopniowej (kaskadowej)

regulacji aktywności genów docelowych przez

czynniki transkrypcyjne.

Niekiedy obok wzmacniaczy transkrypcji, lub

zamiast nich, występują wyciszacze (ang si-

lencers) i wtedy przyłączane do nich białka

wyciszają transkrypcję. Ten rodzaj regulacji

taranskrypcji genów przez geny nadrzędne

może mieć charakter wielostopniowy, czyli

jak to się często określa kaskadowy (Ryc. 2).

W ten sposób podczas rozwoju organizmu

czynniki transkrypcyjne włączają kolejno całe

podprogramy, specyficzne dla danej części

ciała, potem dla danego narządu i wreszcie

dla ostatecznie zróżnicowanych komórek.

Analogicznie w komputerze w zależności od

okoliczności naciśnięcie pojedynczego klawi-

sza może oznaczać wprowadzenie pojedyn-

czej litery do pisanego tekstu, albo całego

programu bądź podprogramu. Ewolucyjne

znaczenie tej regulacji potwierdza fakt, że

wiele spośród czynników transkrypcyjnych

ma niezwykle konserwatywny charakter.

ZNACZENIE MUTACJI I GENóW HOMEOTYCZNYCH DLA PROCESU EWOLUCJI STAWONOGóW,

ORAZ ROZPOWSWZECHNIENIE GENóW HOx W CAŁYM ŚWIECIE ZWIEZRĘCYM

MUTACJE HOMEOTYCZNE U OWADóW

posiada konformację trzeciorzędową: helisa-

skręt-helisa, a sekwencja homeobox zawiera

odpowiednio 180 par zasad.

DUPLIKACJE I EWOLUCJA GENóW

HOMEOTYCZNYCH U STAWONOGóW

Edward Lewis już w latach 70. wiązał

ewolucję segmentacji stawonogów z ewolu-

cją i ekspresją genów homeotycznych. Silna

ekspresja normalnego niezmutowanego genu

Antennapedia zachodzi jedynie w trzech

segmentach tułowia muchy i jest wyłączona

zarówno w segmentach głowy jak i w seg-

mentach odwłoka owada. Dlatego można

było oczekiwać, że w tych grupach stawono-

gów, które posiadają więcej niż 3 pary odnó-

ży krocznych, ekspresja genu Antennapedia

będzie odpowiednio rozszerzona na większą

liczbę segmentów. Od dawna uważano, że

jednymi z najbardziej pierwotnych stawono-

gów są raki liścionogie (Phyllopodia), które

posiadają 11 segmentów tak zwanego tuło-

wia, zaopatrzonych w prymitywne liściowate

odnóża. W 1995 r. zgodnie z przedstawioną

wyżej hipotezą wykazano, że ekspresja genu

Antennapedi a w zarodku raka liścionogiego

Artemia franciscana występuje we wszyst-

kich 11 segementach, na których rozwijają

się liściowate odnóża. Liczba 11 odpowiada

sumie 3 segmentów tułowia i 8 segmentów

odwłoka muchy. W ten sposób po raz pierw-

szy wykazano, że homologia segmentów sta-

Mutacjami homeotycznymi nazywamy ta-

kie mutacje, które zamieniają przydatki cha-

rakterystyczne dla danego segmentu ciała

owadów lub szerzej stawonogów na przydat-

ki innego segmentu, a genami homeotyczny-

mi geny, w których mapują się wyżej wymie-

nione mutacje. Najbardziej znanymi mutacja-

mi homeotycznymi są mutacje bithorax ( bx ),

które powodują, że przezmianki, czyli zredu-

kowana druga para skrzydeł muchy, stają się

znów pełnymi, błoniastymi skrzydłami po-

dobnymi do skrzydeł pierwszej pary (Ryc. 3).

Warto od razu zauważyć, że mutacje te do-

tyczą cechy diagnostycznej dla całego rzędu

muchówek, a więc takiej cechy, która po-

zwala odróżnić muchówki od innych rzędów

owadów na przykład od błonkówek (Ryc. 3).

Inna mutacja, zwana Antennapedia, powo-

duje, że zamiast czułków na głowie muchy,

na ich miejscu, powstają w pełni rozwinięte

odnóża kroczne. Blisko 30 lat temu okazało

się, że produktami genów homeotycznych są

białka o charakterze czynników transkrypcyj-

nych i że były one bardzo silnie konserwowa-

ne w procesie ewolucji. Ta część cząsteczki

białkowej, która łączy się ze wzmacniaczami

regulowanych genów nosi nazwę homeodo-

meny, a sekwencja kodująca homeodomenę

nosi nazwę homeoboksu (w skrócie hox ).

Homeodomena zawiera 60 aminokwasów i

Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzęcego

407

Ryc. 3. (A) Schemat normalnego ułożenia skrzy-

deł i przezmianek u muchy. (B) schemat ułoże-

nia dwóch par skrzydeł u podwójnego mutanta

bithorax i post bithorax.

go ekspresja u muchy jest również regulowa-

na przez nadrzędny gen Ubx (Ryc. 4).

Hipoteza ta była testowana przez r An -

ghAusen i współaut. (2002). Pewną trud-

ność w ich badaniach stanowił fakt, że od-

nóża u muchy powstają dopiero po przepo-

czwarzeniu się owada. Jednakże na trzech

segmentach tułowia larwy muchy występują

parzyste, czuciowe narządy Keilina, których

położenie odpowiada późniejszemu położe-

niu odnóży, i które nie występują na seg-

mentach odwłoka. Dlatego r AnghAusen i

współaut (2002) uważali, że narządy Keili-

na stanowią larwalny odpowiednik odnóży

postaci dorosłej. Następnie wykazali oni, że

dodatkowy (ektopiczny) gen Ultrabithorax

wprowadzony do zarodka Drosophila pod-

legał ekspresji w segmentach tułowiowych

larwy muchy i hamował w nich powstawa-

nie narządów Keilina, czyli „odnóży larwal-

nych”. Ale z kolei dodatkowy gen Ultrabi-

thorax pobrany z Artemia i wprowadzony

do zarodka muchy nie hamował rozwoju

narządów Keilina czyli „odnóży larwalnych”.

Następnie r AnghAusen i współaut. (2002)

utworzyli szereg mozaikowych konstruk-

wonogów, wyznaczona dawno temu przez

zoologów, jest zgodna z ekspresją tych ge-

nów, które determinują rozwój ich przydat-

ków segmentalnych. Ekspresja genu Anten-

napedia muchy jest kontrolowana przez dwa

inne geny homeotyczne Ultrabithorax (Ubx)

i Abdomen A ( Abd A ), które podlegają silnej

ekspresji w odwłoku, wyłączając transkryp-

cję genu Ant, co wykazano bezpośrednio w

badaniach in vitro (Ryc. 4A). Gen Ubx pod-

lega także częściowej ekspresji w trzecim

segmencie tułowia muchy, co hamuje rozwój

skrzydeł, ale zezwala na rozwój trzeciej pary

odnóży i dlatego opisane wyżej mutacje bi-

thorax mapują się w genie Ubx .

U Artemia , w przeciwieństwie do mu-

chy, ekspresje Ultrabithorax i Abdomen A ,

tak jak ekspresja Antennapedia , występują

we wszystkich 11 segmentach tułowia, na

których rozwijają się liściowate odnóża. Po-

dobne wyniki uzyskano dla wijów (Myriapo-

da), u których również podczas ich rozwoju

występuje jednoczesna ekspresja wszystkich

trzech omawianych genów na licznych seg-

menatch zaopatrzonych w odnóża kroczne

(Ryc. 4B). Te odkrycia oznaczały, że produkty

genów Ubx i Abd A u Artemia i u wijów nie

hamują ekspresji genu Antp i że charaktery-

styczna hierarchiczna regulacja funkcji tego

genu powstała w trakcie ewolucji stawono-

gów, prowadząc do redukcji liczby ich odnó-

ży. Dlatego A verof i A KAM (1995) sądzili, że

geny Ant , Ubx i Abd A powstały na drodze

duplikacji pojedynczego genu, który wystę-

pował u hipotetycznego wspólnego przodka

dzisiejszych skorupiaków i owadów, a dopie-

ro następnie sekwencje te różnicowały się

w taki sposób, że produkty genów Abd A i

Ubx regulują funkcje genu Ant i innych ge-

nów determinujących rozwój odnóży tak jak

to opisałem wyżej. Okazało się, że rozwój od-

nóży u stawonogów zależy także od drugiego

genu homeotycznego Distal less ( Dll ), które-

Ryc. 4. (A). Regulacja ekspresji ( transkrypcji) Anten-

nopedia u muchy. Produkt genu Ultrabithorax jest

czynnikiem transkrypcyjnym, który wycisza trans-

krypcję Antennopedia . Gen Abdomen A jest czynni-

kiem transkrypcyjnym, który aktywuje transkrypcję

genu Ultrabithorax w odwłoku muchy . (B) Ekspre-

sja czterech genów Abdomen A , ( AbdA ) Ultarbitho-

rax ( Ubx), Antennopedia ( An t) i Distalless (Dll) we

wszystkich 11 segmentach tułowia Artemia , na któ-

rych występują liściowate odnóża, wskazuje na brak

regulacji genu Antennapedia i Distalless przez pozo-

stałe dwa geny.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: