[bioslawek]

Głowonogi edytują swoje RNA. Hipoteza zegara molekularnego nie sprawdza się w przypadku głowonogów!

Nowe wyniki badań nad genomem głowonogów, choć prowadzone już jakiś czas, podważają wcześniejsze założenia dotyczące ewolucji oraz roli mutacji w generowaniu zmienności umożliwiającej dostosowanie fizjologii organizmu do wyzwań środowiska. Naukowcy z Morskiego Laboratorium Biologicznego w Woods Hole i Uniwersytetu w Tel Awiwie przeprowadzili badania mające na celu ustalenie, w jaki sposób głowonogi: kalmary, ośmiornice, mątwy i łodziki - edytują swoje genomy i odkryli, że zmienność nie jest stopniowo generowana w wyniku mutacji w DNA!

Oragnizmy te są wyposażone w skomplikowaną maszynerię molekularną, która umożliwia im edytowanie matrycowego RNA, które powstaje na bazie genów zapisanych a DNA. Tym samym owe edycje nie zmieniają samego DNA, które jest dziedziczone przez potomstwo w takiej samej formie. Edycje matrycowego RNA odbywają się jedynie na poziomie osobniczym. Można to przyrównać do zmian w komórkach rozrodczych, które są dziedziczone i w somatycznych, które nie podlegają dziedziczeniu - tylko powstają podczas życia osobniczego będąc indukowane różnorakimi czynnikami środowiskowymi.

Jak się okazało u ludzi mniej niż jeden procent transkryptów wykazuje oznaki zmian i to samo dotyczy matrycowego RNA większości innych gatunków. W naszych komórkach instrukcje DNA są wiernie powielane na RNA, który następnie wykonuje swoje zadania zgodnie z instrukcjami zawartymi w genach. Jeżeli już pojawią się jakieś zmiany (mutacje), to pojawiają się w DNA i jeżeli zdarzy się to w komórkach rozrodczych są dziedziczone.

Głowonogi jednak potrafią manipulować procesem transkrypcji genów z DNA na RNA, edytując swoje instrukcje genetyczne, aby wytwarzać zmiany na poziomie indywidualnym:

https://www.youtube.com/watch?v=qzV9LrIEiPs

Kiedy naukowcy analizowali genom ośmiornicy, zauważyli że poziom zmienności u tych organizmów jest o rząd większy niż u naczelnych - jeżeli chodzi o rożnice w transkryptach. Oznacza to, że ośmiornice potrafią zmieniać informacje zapisane w ich DNA, przekształcając oryginalny kod genetyczny w niestandardowe polecenia. W rezultacie powstają zmodyfikowane, a nawet nowe białka strukturalne i enzymy, które mogą potencjalnie nadać głowonogom nowe umiejętności oraz funkcje fizjologiczne.

W roku roku 2015 niektórzy z tej samej ekipy badaczy odkryli, że ośmiornice edytują swoje RNA częściej niż inne gatunki. Teraz poszli o krok dalej i przeszukali cały genom ośmiornicy, w celu sprawdzenia, gdzie i kiedy te zmiany się zdarzają i jak może to wpłynąć na ich historię ewolucyjną. Wyniki swoich badań opublikowali czwartek w czasopiśmie 'Cell'. Wcześniejsze badania: https://www.newscientist.com/article/2127103-squid-and-octopus-can-edit-and-direct-their-own-brain-genes/?utm_term=Autofeed&utm_campaign=Echobox&utm_medium=Social&cmpid=SOC

Wiele edycji RNA występuje w neuronach, z których składają się mózgi głowonogów - twierdzą badacze. Na przykład jedna z adaptacji pozwala im funkcjonować w zimnym otoczeniu. Ośmiornice to niesłychanie inteligentne stworzenia np. zdolne do odkręcania pokrywek słoików. Uczeni twierdzą, że zdolność głowonogów do wprowadzania zmian w matrycowym RNA, obecnym w komórkach mózgowych, może odgrywać istotną rolę w ich inteligencji, choć przyznają, że nie ma na to żadnych ostatecznych dowodów. Wniosek taki wyciągnęli jedynie na podstawie porównań ilości zmienionych transkryptow ośmiornicy i łodzika, który nie jest tak inteligentny. Okazało się, że w dużej mierze o wiele mniej polega on na edycji RNA niż inne głowonogi. Innymi słowy moim zdaniem wniosek jest bardzo naciągany. Ponadto badacze twierdzą, że efekty procesów edycji RNA u głowonogów są najprawdopodobnie bardzo złożone, co jest oczywiście truizmem.

Uczeni przyznali, że w dalszym ciągu nie poznali mechanizmów molekularnych odpowiedzialnych za edycje genów u ośmiornic. Nie wiedzą co konkretnie dzieje się w komórkach i dlaczego jedne transkrypty zostają zmienione a inne wiernie odwzorowują instrukcje zapisane w DNA. Biolodzy molekularni dobrze rozumieją na czym polega replikacja DNA, transkrypcja, translacja, a nawet niektóre mechanizmy epigenetyczne - i wiele innych. Zrozumieli jakiego rodzaju maszyny biologiczne biorą udział w tych procesach i na jakich zasadach współpracują. W tym przypadku dużo zostało do odkrycia.

Niewątpliwie jest to mechanizm dostosowujący głowonogi do wyzwań środowiska – mechanizm funkcjonujący w ramach normy reakcji na środowisko. Uczeni twierdzą, że dużą rolę w tym procesie odgrywa dobór naturalny, który działa na zmienności w matrycowym RNA. Eliminuje on fenotypy, które nie pasują do środowiska, lecz sama zmienność nie jest dziedziczona. Po prostu gdy pionierzy zamieszkają w nowym środowisku uruchamia się proces edycji RNA, które na różne sposoby zmieniają fenotypy. Jedne okazują się mniej inne bardziej dostosowane, a te dopasowane zwyciężaja w walce o byt i pozostawiają więcej potomstwa. Potomstwo to nie dziedziczy zmian, przynajmniej jeszcze czegoś takiego nie zauważono – cały proces zaczyna się od nowa. Mechanizm umożliwia błyskawiczne dostosowanie i opanowanie środowiska. Umożliwia to też duża liczba potomstwa, jaką zostawiają głowonogi: https://www.youtube.com/watch?v=iqHuTElRwmo

Na początku niniejszego streszczenia niedziedziczny proces edycji RNA przyrównałem do mutacji w komórkach somatycznych. Ewolucję bazująca na zmienności w wyniku takich edycji można porównać do tej, jaka ma miejsce w komórkach odpornościowych, gdy szuka ona właściwych przeciwciał. Podczas tego procesu do DNA kodującego przeciwciała wprowadzane są zmiany (mutacje). Powstają różne białka aż w końcu trafiają się przeciwciała komplementarne do elementów patogenu: https://www.youtube.com/watch?v=L32Na8fGjzA

Czy jest to dobre wyjaśnienie dopiero się okaże. W każdym razie tego typu nieświadome sterowanie własną ewolucją nie ma nic wspólnego z neodarwinowską, która postuluje powstawanie korzystnych mutacji w DNA, które są dziedziczone oraz odcedzane przez dobór naturalny. Poza tym odnośnie mozliwości dzedziczenia tego typu zmienności moim zdaniem ostatnie słowo również nie zostało powiedziane. Ostatnie odkrycia dotyczące mechanizmów dziedziczenia epigenetycznego pozwalają zakładać, że być może i w tym przypadku będzie trzeba skorygować wnioski: https://www.wykop.pl/wpis/36180783/informacja-powstala-w-wyniku-mechanizmow-epigenety/

Naukowcy odkryli że DNA glowonogów wykazazuje znacznie niższe tempo mutacji niż u większości stworzeń, coś, co według nich jest niezbędne do tego typu edycji RNA. Mniejsza ilość mutacji musi się wiązać z bardziej dokładną replikacja DNA, a więc np. ze skuteczniejszą naprawą ewentualnych błędów, które powstają podczas tego procesu. Uczeni poznali wiele tego typu procesów. Korektę błędów podczas replikacji DNA potrafi przeprowadzać już polimeraza DNA. Niemniej w ślad za kompleksem replikacyjnym podąża wiele wyrafinowanych kompleksów molekularnych, których zadaniem jest naprawianie różnych uszkodzeń DNA: od pojedyńczych mutacji polegających na złym sparowaniu nukleotydów (niekomplementarnym) po bardzij rozlegle usterki:

https://www.wykop.pl/cdn/c3201142/comment_1j4ZfsmRhTrqpVwYkareILGCJHvL33H5.gif

https://www.wykop.pl/cdn/c3201142/comment_jdEfs2yHFLW5uts7OyOb8yATsQhoUF44.jpg
Na gifie i na zdjęciu; źle sparowane nukleotydy opuszczją miejsce odpowiedzialne za syntezę łańcucha DNA (polimeryzację) i migrują do miejsca egzonukleazy, gdzie błędnie wstawiony nukleotyd jest usuwany w wyniku hydrolizy: https://www.abmgood.com/marketing/knowledge_base/polymerase_chain_reaction_dna_pol_var.php

Kilka bardziej złoŻonych kompleksow, które są odpowiedzialne za naprawę DNA:

https://youtu.be/bgUH9NfO2QM

https://youtu.be/g4khROaOO6c

https://youtu.be/86JCMM5kb2A

Dobrym wyjaśnieniem jest też teza, że te obszary są z jakiegoś powodu konserwatywne i mutacje w nich okazują się częściej letalne niż u innych organizmów. Nie wyjaśnia to jednak dlaczego tak jest u głowonogów a analogiczne geny u innych organizmów tolerują więcej mutacji.

Badacze ponadto stwierdzili, że obszary genomu głowonogów, które kodują transkrypty podlegające edycji, to jakieś 23-41% sekwencji dodujących białka. Dodatkowo ustalono, że różnice procentowe zależą od gatunku. Właśnie te obszary DNA są bardzo konserwatywne pod względem nietolerowania różnych mutacji. Uczeni doszli też do wniosku że inne obszary DNA u głowonogów są bardziej przyjazne dla powstawania w nich zmian.

Nowe odkrycia komplikują też wcześniejsze ustalenia filogenetyków molekularnych. Dotyczą one ustaleń czasu pojawienia się głowonogow na świecie i ich dalszej ewolucji na podstawie zegara molekularnego. Metoda zegara molekularnego opiera się na założeniu, że tempo mutacji jest równe dla wszystkich tzw. linii ewolucyjnych (filogenetycznych). Jak się jednak okazało w przypadku głowonogów się to nie sprawdza, ponieważ ich geny zmieniają się w innym tempie niż analogiczne u innych organizmów!

Dystans molekularny

Jeżeli genetycy badają dwa spokrewnione organizmy i chcą ustalić kiedy żył ich wspólny przodek, to badają identyczne sekwencje zawarte w ich genomach. Są to fragmenty DNA - określane, jako homologiczne lub analogiczne, ewentualnie ortologiczne. Hipotetycznie od chwili, kiedy linie tych osobników się oddzieliły od wspólnego przodka i poszły swoimi drogami, następowały u nich różne mutacje. Podczas porównywania najpierw bierze się pod lupę wszystkie identyczne zmiany i uznaje, że powstały jeszcze u wspólnego przodka. Następnie po ich wyeliminowaniu liczy się rożnice. Kiedy będzie ich np. 5 (jak poniżej), to można zastosować koncepcję zegara molekularnego.

a) ATGCAGTTGCCTACGTRAC

b) ATACAATTGCATACATRAA

Jeżeli się założy, że jedna mutacja powstaje na pokolenie, a kolejne pokolenia pojawiają się każedo roku, to na podstawie tych różnic łatwo wyliczyć, że te dwie sekwencje rozeszły się 5 lat temu. Jednak jest to możliwe jedynie przy założeniu stałego tempa mutacji dla wszystkich linii filoegentycznych. Jeżeli głowonogi posiadają geny, w których przez pięć pokoleń nie pojawi się ani jedna mutacja, to wyniki badań na podstawie tych sekwencji okażą się całkowicie zwodnicze, ponieważ choć minie 5 lat geny powiedzą, że nie minął ani jeden rok od rozejścia się ich w wyniku dywergencji. Przy okazji dodam, że naukowcy pracujący nad udoskonalaniem zegara molekularnego, bądź co bądź użytecznej metody w wielu przypadkach, mają więcej problemów natury genetycznej.

Gorące miejsca mutacyjne

Choć darwiniści utrzymują, że podstawowym motorem ewolucji są losowe mutacje, to jednak odkryto takie, które nie są przypadkowe. Różni badacze opublikowali informacje dotyczace bakterii, owadów, ryb pielęgnic, palm czy zięb szybko dostosowujących się do różnych nisz ekologicznych i dzielących się na różne podgatunki, mimo że mieszkają w tym samym miejscu. Odkryli też, że w podobnych środowiskach mogą występować identyczne mutacje dostosowawcze w analogicznych genach i to w tej samej kolejności u różnych organizmów!: https://www.nature.com/news/predictable-evolution-trumps-randomness-of-mutations-1.12459

Zmienność taka nie dotyczy jedynie bakterii, ale również owadów, co zostało naukowo potwierdzone. Wszystko to łączy się z różnym stopniem, jak i tempem zmienności w genach, co może zafałszować wnioski filogenetyków molekularnych, które dotyczą nie tylko tempa mutacji, ale też stopnia powiązań filogenetycznych. Tutaj jest kilka linków do artykułów opisujących tego typu anomalie z punktu widzenia neodarwinizmu:

Evolution’s new wrinkle: Proteins with cruise control provide new perspective

http://www.princeton.edu/main/news/archive/S22/60/95O56/index.xml?section=topstories

Evolution Is Not Random (At Least, Not TotZobacz teżally)

http://m.livescience.com/48103-evolution-not-random.html?cid=514636_20141002_32724136

Does evolutionary theory need a rethink?

http://www.nature.com/news/does-evolutionary-theory-need-a-rethink-1.16080

Predictable evolution trumps randomness of mutations

http://www.nature.com/news/predictable-evolution-trumps-randomness-of-mutations-1.12459

Far from random, evolution follows a predictable genetic pattern, Princeton researchers find

http://molbio.princeton.edu/news/faculty-research-news/658-far-from-random-evolution-follows-a-predictable-genetic-pattern-princeton-researchers-find

Neo-Darwinism, the Modern Synthesis and selfish genes: are they of use in physiology?

http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3060581/
Super-fast evolution

http://www.news.leiden.edu/news/super-fast-evolution.html
The closest look ever at the cell’s machines

http://www.embl.de/aboutus/communication_outreach/media_relations/2006/060122_heidelberg/

How a shape-shifting DNA-repair machine fights cancer
http://www.rdmag.com/news/2014/02/how-shape-shifting-dna-repair-machine-fights-cancer

ŹRÓDŁO STRESZCZENIA:

Octopuses Edit Their Genetic Code Like No Other Animal

http://blogs.discovermagazine.com/d-brief/2017/04/07/octopuses-edit-their-own-genetic-code/?utm_source=dscfb&utm_medium=social&utm_campaign=dscfb&fbclid=IwAR07x8AD2Y6uCZZJv1lLFO-9UcD7We76BUumUk1-z5i9tItwH390w_9UnFg#.W-LsCBRRe00

#ewolucja #biologia #zoologia #genetyka #biotechnologia #nauka #ciekawostki #glowonogi