Ustalenia Uniwersytetu w Bonn i LMU Monachium podważają wcześniejsze założenia.
Pewne sekwencje w genomie regulują aktywację lub dezaktywację genów. Tradycyjnie uważano, że te elementy regulacyjne, zwane wzmacniaczami, zajmują różne miejsca na skórze DNA. W rezultacie uznano, że wzmacniacze kontrolujące ten sam gen, ale aktywujące go w różnych częściach ciała, działają niezależnie, oddzielone od siebie wzdłuż genomu.
Niedawne badanie przeprowadzone na Uniwersytecie w Bonn i LMU w Monachium podważa tę koncepcję. Odkrycia są również ważne, ponieważ uważa się, że kluczową rolę w ewolucji odgrywają zmiany genów. Badanie opublikowano w czasopiśmie Postęp nauki.
Schemat form roślinnych i zwierzęcych jest zakodowany w ich DNA. Ale tylko niewielka część genomu – około dwóch procent u ssaków – zawiera geny, instrukcje wytwarzania białek. Reszta w dużej mierze kontroluje, kiedy i gdzie te geny są aktywne: ile ich transkryptów jest wytwarzanych, a tym samym ile białek powstaje z tych transkryptów.
Niektóre z tych sekwencji regulacyjnych, zwane „wzmacniaczami”, działają jak ściemniacze używane do modulowania światła w naszym salonie. Rzeczywiście, specyficznie zwiększają ekspresję konkretnego genu, gdzie i kiedy ten gen jest wymagany. Geny kontrolujące morfologię często reagują na kilka niezależnych wzmacniaczy, z których każdy określa ekspresję genu w innej części ciała.
Wzmacniacze kontrolujące Drosophila ubarwienie
Do tej pory uważano, że wzmacniacze mają charakter modułowy. Termin ten oznacza, że każdy wzmacniacz zajmuje izolowany odcinek DNA. „Pokazaliśmy jednak, że nie jest to do końca prawda” – wyjaśnia Mariam Museridze. Jest doktorantką w Instytucie Biologii Organicznej w Bonn w grupie prof. dr Nicolasa Gompela i pierwszą autorką pracy. Gompel jest także członkiem Transdyscyplinarnego Obszaru Badawczego (TRA) „Życie i zdrowie” na Uniwersytecie w Bonn.
Naukowcy badali, w jaki sposób gen tzw żółty jest regulowany u muszki owocowej Drosophila. Gen ten powoduje, że owad wytwarza brązowawą melaninę, barwnik. Istnieje wiele wzmacniaczy kontrolujących działanie żółty. Jeden z nich odpowiada na przykład za pigmentację zębów larw, drugi zaś za powstawanie pasiastego wzoru na odwłoku muchy.
„Przyjrzeliśmy się bliżej dwóm z tych wzmacniaczy” – mówi Museridze. Pierwszy kontroluje powstawanie ubarwień na skrzydłach, drugi natomiast kontroluje ubarwienie głowy, tułowia i odwłoka. Obydwa są aktywne w tym samym czasie podczas metamorfozy muchy. Zespół odkrył, że wzmacniacz ciała nie jest, zgodnie z oczekiwaniami, zlokalizowany w innym regionie DNA niż wzmacniacz skrzydeł. Zamiast tego istnieją rozległe regiony DNA należące do obu przełączników genowych, tj. wpływające na pigmentację zarówno skrzydeł, jak i tułowia.
Wyniki sugerują, że architektura sekwencji regulatorowych w genomie jest znacznie bardziej złożona, niż wcześniej sądzono. Ma to daleko idące konsekwencje dla sposobu, w jaki cechy zmieniają się w trakcie ewolucji. Według aktualnej wiedzy kluczową rolę w tym procesie odgrywają wzmacniacze.
Wzmacniacze jako ewolucyjny plac zabaw
Dzieje się tak dlatego, że wiele białek jest tak ważnych dla organizmu, że mutacja w ich genie (tj. sekwencji DNA zawierającej instrukcje dotyczące budowy białka) spowodowałaby poważne problemy, a nawet pewną śmierć. W rezultacie geny kontrolujące kształt ciała, takie jak liczba skrzydeł czy nóg, rzadko zmieniają się w trakcie ewolucji. Wyjściem z tego dylematu są wzmacniacze: w przypadku mutacji zmienia się aktywność odpowiedniego genu, ale tylko w określonej tkance i w określonym czasie.
„Dlatego koszt mutacji wzmacniacza jest często niższy niż koszt bezpośredniej mutacji genu” – mówi Mariam Museridze. Ułatwia to pojawienie się nowych cech w procesie ewolucji. To jak pieczenie ciasta: jeśli zmieszasz jajka, mąkę, mleko i cukier, możesz otrzymać zupełnie różne rodzaje ciasta, w zależności od proporcji mieszania. W tej metaforze wzmacniacze byłyby odpowiedzialne za ilość składników, a nie za rodzaj składników.
Mutacja genetyczna przypomina przypadkowe zastąpienie jednego składnika czymś zupełnie innym – na przykład użyciem trocin zamiast mąki. Wynik z pewnością nie będzie smakował zbyt dobrze. Z drugiej strony mutacja we wzmacniaczu zmieniłaby ilość mąki. „Jeśli wzmacniacze nie są tak modułowe, jak sądziliśmy, oznacza to, że mutacje w nich mogą mieć znacznie szersze skutki” – mówi Museridze.
Oznacza to, że taka mutacja mogłaby wpłynąć na ilość kilku składników jednocześnie. Jednak możliwe jest również, że wzmacniacze zachowają swoją niezależność i nadal kontrolują ilość pojedynczego składnika, mimo że ich sekwencje są przeplatane i wspólne. „Chcemy teraz bardziej szczegółowo zbadać te możliwości” – wyjaśnia profesor Gompel. „Chcemy także dowiedzieć się, jak ogólne są nasze odkrycia i jak wpływają one na nasze zrozumienie mechanizmów ewolucyjnych”.
Odniesienie: „Splątane i niemodularne sekwencje wzmacniające wytwarzające niezależne działania przestrzenne” autorstwa Mariam Museridze, Stefano Ceolin, Bettina Mühling, Srishti Ramanathan, Olga Barmina, Pallavi Santhi Sekhar i Nicolas Gompel, 20 listopada 2024 r., Postęp nauki.
DOI: 10.1126/sciadv.adr9856
Profesor Gompel i jego grupa badawcza rozpoczęli studia w LMU w Monachium, a zakończyli je na Uniwersytecie w Bonn. W badania zaangażowany był także Uniwersytet Kalifornijski w Davis w USA. Badanie zostało sfinansowane przez Niemiecką Fundację Badawczą (DFG) i LMU Monachium.
