W poszukiwaniu genów człowieczeństwa biologia molekularna na tropie ewolucji człowieka Pweł Golik.pdf

W poszukiwaniu „genów człowieczeństwa”

– biologia molekularna na tropie ewolucji człowieka

Autor: Paweł Golik

Pytania dotykające problemu biologicznej natury człowieka, jego

miejsca w świecie przyrody i jego (ewentualnej) w nim wyjątkowości,

od stuleci należały do najgłębiej nurtujących badaczy i filozofów.

Współczesne spojrzenie na te zagadnienia sięga w przeszłość czasów

Linneusza (1707–1778), który tworząc swe dzieło Systema Naturae

(1735) nie zawahał się umieścić człowieka wśród zwierząt, w jednym

rodzaju z małpami człekokształtnymi, takimi jak szympans. W

kolejnym stuleciu Karol Darwin (1809–1882) jednoznacznie stwierdził,

że nasz gatunek powstał w drodze działania doboru naturalnego przez

stopniowe nagromadzanie zmian, tak samo jak wszystkie inne gatunki

zwierząt i roślin.

Darwinowskie spojrzenie na ewolucję człowieka rozwijało się wraz z

rozwojem nauki o mechanizmach ewolucji. Współczesny

ewolucjonizm, w znacznym uproszczeniu, jest wynikiem dwóch

wielkich syntez – pogodzenia darwinizmu z klasyczną genetyką i

genetyką populacji (tzw. syntetyczna teoria ewolucji, pierwsza połowa

XX wieku), oraz połączenia ewolucjonizmu z biologią molekularną

(ewolucja molekularna, druga połowa XX wieku), które pozwoliło

wejrzeć w mechanizmy zmienności i selekcji na poziomie sekwencji

DNA i kodowanych przez nie białek. Rozwijająca się już w bieżącym

stuleciu genomika – nauka badająca informację genetyczną zawartą w

genomach organizmów w ujęciu całościowym – dostarczyła wielkiego

bogactwa danych, z których dla zagadnienia pochodzenia człowieka

najważniejsze było poznanie sekwencji DNA genomu ludzkiego (2000)

i genomu naszego najbliższego żyjącego krewnego – szympansa

(2005). Porównanie tych dwóch genomów niesie nadzieję na odkrycie

śladów tego, jak dobór naturalny kształtował nasz gatunek. Zanim

jednak przyjrzymy się dotychczasowym wynikom takiego porównania,

warto w skrócie przedstawić to, co współczesna genetyka mówi o

historii Homo sapiens.

Ostatni wspólny przodek ludzi i szympansów zamieszkiwał Afrykę

około 5 milionów lat temu. Już ponad 2 miliony lat temu

przedstawiciele ewolucyjnej linii człowieka, tacy jak Homo erectus,

opuścili Afrykę i zasiedlili Eurazję i Oceanię. Przeprowadzona pod

koniec XX wieku analiza DNA mitochondrialnego (niewielkiej

cząsteczki DNA, którą u zwierząt potomstwo dziedziczy wyłącznie od

matki, co ułatwia analizę historyczną) żyjących obecnie mieszkańców

Ziemi wykazała, że nasz ostatni wspólny przodek (w tym przypadku w

linii matczynej, lecz wyniki późniejszych analiz dla dziedziczonego

przez synów od ojców chromosomu Y dały podobne wyniki)

zamieszkiwał Afrykę zaledwie około 200 tysięcy lat temu, a wędrówkę

na pozostałe kontynenty nasi bezpośredni przodkowie zaczęli około 70

tysięcy lat temu. Zasiedlaniu kolejnych kontynentów przez tych,

stosunkowo niedawnych, migrantów towarzyszyło wypieranie

poprzednich mieszkańców. Wśród tych, którzy przegrali konkurencję z

naszymi przodkami był też, jak wynika to z najnowszych badań

kopalnego DNA, neandertalczyk. Neandertalczycy zamieszkiwali Azję i

Europę jeszcze około 30 tysięcy lat temu, obok przedstawicieli Homo

sapiens. Trwającą od wielu lat debatę, czy neandertalczyk był, choćby

w części, naszym przodkiem rozstrzygnęło, umożliwione przez postępy

metod badania DNA ze szczątków kopalnych, poznanie niemal

kompletnej sekwencji jego genomu. Wyniki tych analiz sugerują, że

neandertalczycy stanowili odrębną, boczną odnogę naszego drzewa

ewolucyjnego, a w genach współczesnych ludzi nie ma śladów, które

świadczyłyby o mieszaniu się tych dwóch linii.

To, że wszyscy współcześni ludzie wywodzą się z jednej, niewielkiej

populacji, która stosunkowo niedawno w szybkim tempie

rozprzestrzeniła się na cały świat ma bardzo interesujące

konsekwencje. Najprawdopodobniej to właśnie z tego powodu

zróżnicowanie genetyczne naszego gatunku jest bardzo niewielkie.

Może się to wydać zaskakujące, ale najbardziej nawet odlegli od siebie

genetycznie ludzie różnią się między sobą około pięciokrotnie mniej,

niż dwa szympansy z różnych regionów Afryki.

Analizy genetyczne pozwalają na odtwarzanie historii populacji

ludzkich. Wiemy dzięki nim, kiedy zasiedlane były poszczególne

kontynenty i jakie są stosunki pokrewieństw pomiędzy ich

mieszkańcami. Co ciekawe, wyniki tych analiz bardzo dobrze

pokrywają się z rezultatami porównywania różnych języków i

odtwarzania ich ewolucji – między genetycznym drzewem rodowym a

drzewem pokrewieństwa języków istnieje bardzo duża zgodność.

Naturalnie nasuwa się zatem pytanie – jakie cechy naszego gatunku

umożliwiły nam tak szybką i skuteczną ekspansję na praktycznie całą

planetę. Antropologia dostarcza bardzo wielu odpowiedzi, z których

większość wskazuje na wyjątkowość naszej kultury i cywilizacji, która

dzięki bardzo skutecznemu i ukierunkowanemu systemowi

gromadzenia i przekazywania informacji, zapewnionemu przez język,

rozwija się w tempie znacznie przekraczającym ograniczenia ewolucji

biologicznej. Cywilizacja, narzędzia i język są najbardziej znaczącymi

atrybutami naszego gatunku. Oczywistym jest więc, że chcielibyśmy

wiedzieć, jak atrybuty te powstały, i czy w naszym genomie są jakieś

ślady świadczące o wyjątkowości Homo sapiens.

Od dawna zastanawiano się, czy w trakcie ewolucji człowieka pojawiły

się w jego genomie jakieś wyjątkowe geny, które odpowiadają za te

kluczowe dla naszego gatunku cechy – czy istnieją „geny

człowieczeństwa”. Możliwość poznania odpowiedzi na takie pytania

pojawiła się wraz ze zbadaniem sekwencji genomu człowieka oraz

szympansa. Czy porównując oba genomy udało się „gen

człowieczeństwa” zidentyfikować?

Często spotykane w popularnych tekstach sprowadzanie różnic między

genomami do procentowej wartości podobieństwa niewiele w istocie

wnosi, zwłaszcza że nie ma sposobu pozwalającego na jednoznaczne

obliczenie takiej wartości. Wspomnijmy jedynie, że różnice między

genomem człowieka a szympansa są stosunkowo niewielkie, jedynie

około dziesięciokrotnie większe niż zróżnicowanie genomów różnych

ludzi. Wśród trzech miliardów par zasad składających się na genom

człowieka (genom szympansa ma bardzo podobną wielkość)

znajdziemy około 35 milionów (nieco ponad 1%) takich, które nas

różnią, do tego doliczyć należy około 5 milionów miejsc, gdzie zaszło

wstawienie lub wypadnięcie większego fragmentu DNA. Gdy

porównamy kodowane przez genom białka, podobieństwo staje się

jeszcze bardziej uderzające – 29% wszystkich białek ma u człowieka i

szympansa identyczną sekwencję aminokwasów, a przeciętne ludzkie

białko różni się od szympansiego odpowiednika zaledwie dwoma

aminokwasami.

Gdzie zatem wśród tych różnic szukać śladów ewolucji człowieka?

Najbardziej oczywistą byłaby sytuacja, w której pojawił się w naszym

genomie gen, lub grupa genów, których nie posiadają szympansy i

inne zwierzęta. Nie można też wykluczyć tego, że w linii prowadzącej

do człowieka pewne geny obecne u naszych krewnych zaniknęły.

Można też spodziewać się, że w genach obecnych i u nas, i u naszych

krewniaków, zachodziły w toku ewolucji mutacje, które zmieniły ich

funkcję na tyle, by nadać nam właściwe naszemu gatunkowi cechy.

Istotną rolę z pewnością odegrały też zmiany w mechanizmach

regulacyjnych, które decydują o tym, kiedy i jak bardzo dany gen jest

aktywny.

Poszukiwania nowych genów specyficznych dla genomu człowieka nie

przyniosły przełomowych odkryć. Znaleziono wprawdzie grupę genów,

zwanych Morpheus, w której dochodziło do wielu duplikacji

(podwojeń), przez co niektóre z nich występują wyłącznie w genomie

człowieka, trudno jednak dopatrywać się w nich klucza do

szczególnych cech naszego gatunku. Funkcja tych genów pozostaje

wciąż w znacznej mierze niezbadana, przypuszcza się, że mogły one

odegrać pośrednią rolę w ewolucji, kontrolując stabilność genomu i

tempo zachodzących w nim zmian.

W trakcie ewolucji człowieka doszło też do utraty pewnej liczby

genów. W porównaniu z szympansami (i większością innych ssaków)

mamy wyraźnie uboższy repertuar receptorów węchowych. Utrata

obecnego u szympansa genu keratyny ϕhHaA wpłynęła na inną

(znacznie delikatniejszą) strukturę naszych włosów. Strata innych

genów zmieniła właściwości biochemiczne powierzchni naszych

komórek, wpływając głównie na interakcje z patogenami, takimi jak

wirusy i bakterie. Trudno jednak w tych różnicach dopatrywać się

zmian najistotniejszych z punktu widzenia naszej ewolucji.

Klucz do zrozumienia ewolucyjnej drogi naszego gatunku tkwić musi

zatem w mutacjach zmieniających sekwencję genów obecnych

zarówno w naszym genomie, jak i u naszych krewnych ze świata

zwierząt. Zidentyfikowanie takich mutacji nie jest jednak trywialne.

Sekwencje zmieniają się bowiem nieustannie w trakcie ewolucji i w

ogromnej większości genów odnajdziemy przy porównywaniu różnych

genomów szereg zmian. Do analizy należy więc zaprząc bardziej

wyrafinowane modele matematyczne. Zmiany w większości genów

gromadzą się stopniowo i w jednostajnym tempie – mutacje szkodliwe

są szybko eliminowane przez dobór naturalny (nie są więc

obserwowane), obserwuje się natomiast mutacje neutralne (nie

wpływające w istotny sposób na funkcję) i mutacje korzystne (bardzo

szybko przez dobór utrwalane). Najciekawsze z naszego punktu

widzenia będą te sytuacje, gdy w jakiejś grupie organizmów, w tym

przypadku w linii prowadzącej do człowieka, tempo gromadzenia

zmian znacząco odbiega od jednostajnego tempa obserwowanego w

pozostałych gałęziach drzewa ewolucyjnego. Oznacza to bowiem, że to

na te właśnie geny dobór naturalny działał u naszych przodków w

szczególny sposób.

Wśród około 25 tysięcy genów znajdujących się w naszym genomie,

takie znaczące odchylenia od jednostajnego tempa gromadzenia

zmian, sugerujące specyficzne działanie doboru naturalnego w linii

człowieka, stwierdzono w około pięciuset. Przyspieszoną ewolucję

wykryto też w wielu obszarach regulatorowych, które choć same nie

kodują białek, to kontrolują działanie innych genów. Wiele spośród

tych genów koduje białka zaangażowane w działanie układu

odpornościowego, kontrolę procesu zapłodnienia i podziałów komórki,

a także metabolizm substancji przyjmowanych w pokarmie. Ich

przyspieszona ewolucja może odzwierciedlać zmiany w niszy

ekologicznej człowieka – inną, niż u szympansa dietę, inny zestaw

patogenów itp. Wśród genów o przyspieszonej u człowieka ewolucji

znaleziono jednak również wiele takich, których zmiany mogły w

bardziej fundamentalny sposób przyczynić się do powstania

szczególnych cech naszego gatunku.

Do najciekawszych należy gen FOXP2. Aktywny jest podczas rozwoju,

głównie w centralnym układzie nerwowym, a kodowane przezeń białko

należy do grupy czynników transkrypcyjnych – białek regulujących

transkrypcję (odczytywanie) innych genów. O funkcji FOXP2 u

człowieka wnioskować możemy dzięki opisaniu w 2001 r. bardzo

rzadkiej choroby genetycznej wywoływanej przez mutacje w tym

genie. Chorzy na tę chorobę (zaliczaną do rozwojowych dyspraksji

werbalnych) nie są praktycznie zdolni do posługiwania się mową,

mimo że nie cierpią na zaburzenia słuchu, a ich krtań i struny głosowe

wykształcone są prawidłowo. Zaburzenia dotyczą zarówno

wypowiadania, jak i rozumienia słów, a także zdolności

wykorzystywania reguł gramatycznych, nie towarzyszy im jednak

bardzo znaczące obniżenie inteligencji. Jest to więc zaburzenie

specyficznie dotykające wrodzonych zdolności językowych człowieka.

Gen FOXP2 występuje również u innych zwierząt, a jego sekwencja

jest bardzo mocno konserwowana w ewolucji – białko myszy i

szympansa różni się zaledwie jednym aminokwasem. Tymczasem u

człowieka, już po oddzieleniu się linii naszych przodków od przodków

szympansów, pojawiły się dwie kolejne zmiany aminokwasowe,

ewolucja tego białka bardzo zatem znacznie przyspieszyła. Szybka

ewolucja genu FOXP2 w połączeniu z objawami towarzyszącymi jego

mutacjom u ludzi nasuwają atrakcyjną hipotezę, że jest to jeden z

głównych genów warunkujących niezwykle rozbudowane zdolności

językowe człowieka. FOXP2 nazywa się nawet niekiedy „genem

mowy”, choć należy pamiętać, że z pewnością nie jest on jedynym

czynnikiem warunkującym rozwój tej niezwykle złożonej funkcji

naszego umysłu. Bardzo interesujący wynik dało zbadanie genu FOXP2

w odtworzonym na podstawie kopalnego DNA genomie

neandertalczyka – jego sekwencja jest taka sama, jak u ludzi

współczesnych. Można zatem stwierdzić, że pod tym względem

neandertalczycy także mieli predyspozycje do wykształcenia złożonego

systemu języka.

Innym interesującym genem, którego ewolucja przyspieszyła w linii

człowieka jest MYH16, kodujący jedno z białek z grupy miozyny,

nadające siłę mięśniom. Miozyna kodowana przez MYH16 aktywna jest

głównie w mięśniach twarzoczaszki, np. takich, które poruszają

szczękami. Mutacje, które zaszły ponad 2,5 miliona lat temu u

przodków człowieka, znacznie osłabiły muskulaturę twarzoczaszki. Siła

naszych szczęk jest niewielka w porównaniu z szympansami, badacze

spekulują jednak, że takie osłabienie twarzoczaszki umożliwiło szybki

rozrost mózgoczaszki, a w konsekwencji „wygospodarowanie” miejsca

dla dużego mózgu, typowego dla człowieka.

Ślady działania doboru naturalnego przyspieszającego ewolucję

odnaleziono też w wielu innych genach, których produkty

zaangażowane są w rozwój centralnego układu nerwowego. Należy do

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: