Genai iš niekur: stulbinanti našlaičių istorija

Kas būtų pagalvojęs, kad mūsų DNR vietą rado panašūs pamestinukai? Pradėję tirti genų sekas, biologai išsiaiškino, kad iki trečdalio kiekvienos gyvūnų rūšies genų neturi tėvų ar kokios nors šeimos. Nepaisant to, kai kurie iš šių „genų našlaičių“ daug pasiekė, o kai kurie, regis, net suvaidino vaidmenį žmogaus smegenų evoliucijoje.

Bet iš kur jie randasi? Neturėdami akivaizdžių protėvių, jie atrodo atsiradę iš niekur, bet taip būti negali. Visi manė, kad tyrinėdami toliau, atrasime, kas nutiko jų šeimoms. Bet neatradome – išties, visai atvirkščiai.

Nuo pat genų atradimo biologams rūpėjo jų kilmė. Gyvybės aušroje, patys pirmieji genai tikriausiai susidarė atsitiktinai. Bet gyvybė beveik be abejonių, prasidėjo RNR pasaulyje, kai genai buvo ne tik chemines reakcijas valdančių fermentų brėžiniai – jie patys ir buvo tie fermentai. Jei atsitiktinai atsirasdavo RNR gabaliukas, padedantis pagaminti daugiau savęs paties kopijų, iškart pasireikšdavo natūrali atranka.

Gyvoms ląstelėms vystantis, reikalai darėsi vis sudėtingesni. Genas tapo baltymą koduojančia DNR dalimi. Kad baltymas būtų pagamintas, reikia nukopijuoti DNR į RNR. Tai negali vykti be „DNR jungtukų“, – papildomų DNR atkarpų šalia baltymus koduojančių dalių ir sakančių „kopijuokite šią DNR į RNR“. Paskui RNR turi nusigauti iki baltymų gamyklų. Sudėtingose ląstelėse tam reikia dar daugiau papildomų sekų, veikiančių kaip etiketės „eksportuok mane“ ir „pradėk gaminti baltymą nuo čia“.

Dėl to tikimybė, kad atsitiktinė mutacija pavers DNR šiukšlių atkarpą į naują geną, atrodo be galo maža. Kaip prancūzų biologas François Jacob prieš 35 metus parašė, „tikimybė, kad funkcionalus baltymas atsiras de novo, atsitiktinai susijungus aminorūgštims, praktiškai nulinė“.

Tačiau aštuntame praėjusio amžiaus dešimtmetyje buvo iškelta mintis, kad dėl atsitiktinio genų kopijavimo iš vieno geno gali kilti visa genų šeima, panašiai, kaip gyvūnai išsiskiria į giminiškų rūšių šeimas. Gana dažnai pasitaiko, kad taip netyčia dubliuojami ištisi genai. Atliekamos kopijos paprastai dingsta, bet kartais dublikatas pasidalina funkcija su originaliu genu ar išsiskiria ir imasi naujos funkcijos vykdymo.

Paimkime šviesai jautrius pigmentus, vadinamuosius opsinus. Jūsų akyse esantys opsinai ne tik giminingi vienas su kitu, tačiau siejasi ir su opsinais, randamais visuose kituose gyvūnuose, nuo medūzų iki vabzdžių. Tūkstančiai skirtingų opsinų genų visoje gyvūnų karalystėje išsivystė duplikuodamiesi iš vienintelio geno, pradedant nuo bendro protėvio, gyvenusio maždaug prieš 700 milijonus metų.

Daugelis genų priklauso panašioms šeimoms ir jų protėvius galima atsekti per milijonus metų. Bet kai prieš 15 metų buvo ištirtas mielių genomas, paaiškėjo, kad maždaug trečdalis mielių genų atrodė neturį jokių akivaizdžių giminaičių. Terminas „našlaičiai“ (orphans kartais rašoma ORFans) buvo panaudotas atskirų genų, ar mažų grupių labai panašių genų, neturinčių žinomų giminaičių, pavadinimui.

„Pamačius geną ir nerandant jo giminaičių, kyla įtarimas,“ sako Kenas Weissas, tyrinėjantis sudėtingų bruožų evoliuciją Pensilvanijos valstijos universitete. Kai kas spėjo, kad našlaičiai yra genetinis ekvivalentas gyvųjų fosilijų, kaip, tarkim, latimerijos, paskutinieji išlikę senovinės šeimos nariai. Kiti manė, kad jie nėra kuo nors ypatingi, tiesiog genai, kurių giminaičiai dar nerasti. Juk viso genomo sekoskaita prasidėjo dar visai neseniai.

Tiek daug našlaičių

Bet nuskaitant vis daugiau ir daugiau organizmų genomų, prarastų šeimyninių ryšių atradimas pasirodė esantis veikiau išimtis, o ne taisyklė. Našlaičiai genai rasti visuose iki šiol nuskaitytuose genomuose, nuo moskitų iki žmonių, nuo apvaliųjų kirmėlių iki žiurkių ir jų randama vis daugiau.

Našlaičių genų tyrimai dar labai neseni ir apie daugumą jų žinome labai mažai. Tie, apie kuriuos žinome, yra labai įvairūs. Kai kurie susiję su DNR taisymu ir organizavimu arba kitų genų kontroliavimu. Vabzdžių genas našlaitis flightinas, koduojantis sparnų raumenų baltymą, išsivystė skraidymui. O pernai publikuotame tyrime, Manyuan Long iš Čikagos universiteto su komanda išsiaiškino, kad du neseniai išsivystę vabzdžių genai našlaičiai daro įtaką vaisinių muselių Drosophila maitinimosi elgsenai.

Koralų, medūzų ir polipų genai našlaičiai lemia sprogstančių geliančių ląstelių, sudėtingų struktūrų, šaudančių nuodų pripildytas kapsules į medžiojamą grobį, vystymąsi. Gėlavandenio polipo hidros genai našlaičiai formuoja maitinimosi čiuptuvėlius apie organizmo burną. O poliarinių menkių genas našlaitis, koduojantis antifrizą, leidžia jai išgyventi Arktyje.

Kad ir kaip neįtikėtina…

Įdomu, kad genai našlaičiai dažnai išreiškiami sėklidėse – ir smegenyse. Pastaruoju metu kai kas netgi teigia, kad genai našlaičiai prisidėjo prie pačios didžiausios inovacijos – žmogaus smegenų – evoliucijos. 2011 m. Longas su kolegomis žmonių, šimpanzių ir orangutanų genomuose aptiko 198 genus našlaičius, išreiškiamus priekinėje žievėje, smegenų srityje, siejamoje su sudėtingo protavimo sugebėjimais. Iš jų 54 būdingi žmonėms. Evoliucijos masteliais, šie genai jauni, mažiau, nei 25 milijonų metų amžiaus, o jų atsiradimas, panašu, sutampa su šios primatų smegenų srities padidėjimu. „Tai rodo, kad šie nauji genai koreliuoja su smegenų vystymusi,“ paaiškina Longas.

Kritikai teigia, kad daugelis genų, naujų ar senų, yra kaip nors susiję su smegenų veikla, o koreliacija neįrodo priežastingumo. Bet Longas cituoja naują gyvūnų studiją, remiančią jo teoriją. Vieno iš žmogaus genų našlaičių, SRGAP2C, pasireiškiančio pelių neuronų vystymesi, įjungimas gyvūno smegenų nepadidina. Bet jis skatina nervų ląsteles auginti daugiau dendritų, plonyčių ataugų, per kurias neuronai gali susijungti su kaimyninėmis nervinėmis ląstelėmis. Daugiau jungčių gali padidinti skaičiavimo galią, teigia jis. Tad šie neseniai išsivystę žmonių genai galėjo padėti formuoti žmogaus smegenis. „Manau, nepakankamai įvertinome genus našlaičius,“ svarsto genetikas Diethardas Tautzas iš Maxo Plancko Evoliucinės biologijos instituto Plöne, Vokietijoje.

Bet iš kur jie atsirado? 2003 metais Tautzas su kolegomis iškėlė mintį, kad genai našlaičiai atsiranda duplikavimosi būdu, bet toliau vystosi taip sparčiai, kad bet kokie panašumai su originalu prarandami. Ir jie turėjo šią idėją remiančių duomenų. Jie parodė, kad genai našlaičiai vaisinėse muselėse vystosi tris kartus greičiau, nei ne našlaičiai.

Tad genai našlaičiai buvo suginti į senąjį genų atsiradimo duplikavimusi modelį. Tačiau vėlesnės studijos rodo, kad taip gali būti paaiškinta tik mažos dalies našlaičių kilmė. Tad, nors šis procesas išties svarbus, vien jo nepakanka. „Tada idėja atrodė protinga,“ paaiškina Tautzas, „kadangi alternatyva atrodė labai neįtikėtina.“

Alternatyva? Vienintelė kita galimybė – genai iš tiesų gali išsivystyti nuo pat pradžių, nuo brėžinio, iš atsitiktinių nekoduojančios DNR atkarpų. Ši idėja ilgai buvo atmetama, kaip visiškai neįtikėtina, nes šuolis nuo nekoduojančios DNR atkarpos iki geno, koduojančio naudingo baltymo gamybą buvo laikomas pernelyg dideliu, kad būtų įmanomas. Bet gamta vadovėlių neskaito. Prieš keletą metų ėmė rastis duomenų apie genų atsiradimą de novo mielėse, ryžiuose, pelėse ir vaisinėse muselėse. O 2009 metais, Davidas Knowlesas ir Aoife McLysaght iš Dublino universiteto Airijoje parodė, kad trys žmogaus genai našlaičiai iš tiesų buvo sukurti naujai..

Jie atrado, kad DNR sekos, beveik identiškos genams, egzistavo ir kelete kitų primatų, bet buvo nekoduojančios, o tai reiškia, kad genai turėjo atsirasti po žmonių ir šimpanzių atsiskyrimo. Jie taip pat parodė, kad genai našlaičiai transkribuojami į RNR ir tada išverčiami į baltymus daugelyje audinių, nors genų funkcijos dar nėra žinomos.

2011-aisiais kita komanda aprašė dar 60 žmonių genų našlaičių, sukurtų nuo brėžinio. McLysaght atrodo, kad tai gali būti pernelyg daug – ji mano, kad de novo genai yra retas reiškinys.

Tačiau kai kurie kiti tyrėjai ima manyti, kad tai gali būti stulbinamai dažnas reiškinys. 270-ies primatų genų našlaičių tyrimas, vadovaujamas M. Mar Albà ir Macarena Toll-Riera iš Municipalinio fondo medicininių tyrimo instituto Barselonoje, Ispanijoje, atrado, kad tik maždaug ketvirtį genų našlaičių gali paaiškinti sparti evoliucija po duplikavimosi (Molecular Biology and Evolution, vol 26, p 603). O štai apie 60 procentų atrodė esą visai nauji. „De novo evoliucija aiškiai yra stipri jėga, nuolatos kurianti naujus genus,“ sako Tautz. „Atrodo įmanoma, jog dauguma genų našlaičių išsivystė per de novo evoliuciją.“

Bet kaip tai įmanoma? Knowles ir McLysaght parodė, kad jų rasti genai našlaičiai įsitaisę šalia ar šiek tiek persidengia su egzistuojančiais, senesniais genais, tad našlaičiai gali „pasiskolinti“ jų jungiklius. Panašiai ir Albà su Toll-Riera atrado, kad pusė iš 270-ies našlaičių perėmė sekas iš genų, koduojančių transpozonus, genetinius parazitus, galinčius keliauti po genomą. Tuo tarpu, ENCODE žmogaus genomo tyrimas publikuotas anksčiau šiais metais, parodė, jog mūsų genomas užverstas potencialiai naudingomis trumpomis jungiklių sekomis, o vienas jungiklis gali sąveikauti su daugybe genų.

Iš viso to aiškėja, kad nekoduojančiai DNR yra santykinai lengva gauti jungiklius, reikalingus jos RNR kopijų darymui. Išties, iš ENCODE tyrimo aiškėja, kad net iki 80 procentų DNR bent retkarčiais kopijuojama į RNR. Kai kas teigia, kad visa ši RNR funkcionali, bet kita interpretacija yra, kad didžioji šios veiklos dalis tėra triukšmas, ir DNR atliekos standartiškai transkribuojamos į RNR.

Protogenai

Jei taip vyksta iš tiesų, galima sakyti, kad eksperimentuojame su tūkstančiais potencialiai naujų genų iš karto – ir Anne-Ruxandra Carvunis iš Kalifornijos universiteto San Diege, parodė, kad būtent taip ir yra, bent jau mielėse. Pernai jos komanda išanalizavo 108 000 trumpų, nežinomų, bet galbūt baltymus koduojančių mielių genomo sekų (Nature, vol 487, p 370). Daugiau nei 1000 sąveikavo su ląstelės baltymų gamykla, o tai reiškia, buvo verčiami į baltymus. „Tai gali būti tik ledkalnio viršūnė,“ pastebi Carvunis.

Jos atradimai rodo, kad mielių baltymų gamybos fabrikėliai be perstojo išleidžia naujus baltymus, suteikdami galimybę juos „patikrinti“, ir ji įtaria, jog tas pats vyksta visuose sudėtinguose organizmuose. Carvunis mano, kad tarp nekoduojančios DNR ir visiškai veiklių genų egzistuoja visa „protogenų“ aibė. Dauguma koduoja baltymus, kurie yra neutralūs ar kenksmingi, tad atranka jų nesirenka ir didžioji protogenų dalis galiausiai vėl atvirsta į nekoduojančią DNR. Bet keletas protogenų, kurie neutralūs ar net naudingi, kartkartėmis išlieka ir ima kaupti naudingas mutacijas. Per milijonus natūralios atrankos metų jie tampa tikrais genais – ir taip atsiranda našlaitis.

Tai gali paaiškinti, kodėl genai našlaičiai dažnai išreiškiami sėklidėse. Daugumoje ląstelių DNR yra kompaktiškai supakuota, o tai sumažina RNR kopijų padarymo tikimybę. Tačiau tam tikrose nesubrendusiose spermos ląstelėse, ši struktūra atviresnė, ir protogenai lengviau nukopijuojami į RNR. Laikui bėgant, genas gali būti išreiškiamas kituose audiniuose ir išvystyti naujas funkcijas.

Dėl baltymų prigimties naujų atradimų, mintis apie genų atsiradimą de novo regisi daug labiau tikėtina. Anksčiau manyta, jog tam, kad baltymai veiktų, jie turi būti sulankstyti į delikačią, tikslią trimatę struktūrą, bet dabar panašu, jog daugelis jų egzistuoja prigimtinėje netvarkoje, kaitaliodamiesi tarp tūkstančių skirtingų įmanomų konfigūracijų, tačiau visą tą laiką išlikdami visiškai funkcionalūs. Maždaug pusė žmogaus baltymų turi bent vieną ilgą, iš prigimties netvarkingą segmentą, tuo tarpu 10 procentų yra netvarkingi nuo pradžios iki galo.

Peteris Tompa iš Flanderso Biotechnologijos instituto Briuselyje, tyrinėjantis iš prigimties netvarkingus baltymus, spėja, kad tikriausiai nauji genai našlaičiai labiau linkę koduoti netvarkingus baltymus, nes juos lengviau pagaminti, nei tvarkingai sulankstytus. Be to, netvarkingieji baltymai dažnai vaidina vaidmenį ląstelės signaluose ir reguliavime. „Nenustebčiau, jei išaiškėtų, kad genai našlaičiai vykdo reguliavimo funkcijas,“ sako Tompa.

Galbūt tai padėtų paaiškini, kodėl genai našlaičiai labai greitai gali tapti itin svarbūs. 2010 m., Longo komanda, naudodama RNR interferenciją, išjunginėjo evoliuciškai senus ir naujus vaisinių muselių genus. Pasirodė, kad nauji genai, tarp jų ir genai našlaičiai, gali būti lygiai tokie svarbūs, kaip ir seni genai (Science, vol 330, p 1682). „Tai prieštarauja vadovėliams, teigiantiems, kad svarbiausias funkcijas koduojantys genai atsirado žiloje senovėje,“ dėsto Long.

Reikia dar daug sužinoti apie genus našlaičius, bet pradedame atsekti jų kilmę. Ir panašu, negalime rasti daugelio genų našlaičių šeimų dėl to, kad jie tų šeimų tiesiog neturi. Galima atsekti DNR žaliavą, iš kurios jie kilo, bet kaip genai, jie yra savo rūšies pradininkai. Šia prasme terminas „našlaičiai“ nėra tikslus. Gal juos reikėtų pervadinti į genus Pinokius – ne genų pliauskas, atsitiktinumo ir natūralios atrankos išskaptuotas į tikrus, „gyvus“ genus.