13. praca Heraklesa – uporządkować wiedzę o genomie

Uczeni pożyczyli nazwę od Erasmusa Darwina, który zatytułował tak swoje dzieło z 1794. Zawarł w nim zasady ówcześnie uważane za prawa natury ożywionej. Choć w zasadzie wybranie patronatu tego uczonego można uznać za faux-pas, bo inicjatorką jest badaczka z Uppsali, a więc alma mater innego wielkiego biologa tych czasów – Linneusza.

W odróżnieniu od tych oświeceniowych ojców biologii współcześni twórcy Zoonomii zdają sobie sprawę, że ich dzieło nie ma ambicji opisania całej biosfery. Wbrew nazwie, nie dotyczy ono nawet wszystkich zwierząt, a ich stosunkowo niedużej grupy, czyli ssaków. Więcej – nie wszystkich ssaków, a w zasadzie tylko łożyskowców. I jeszcze więcej – nie wszystkich kilku tysięcy gatunków, a zaledwie kilkuset o zsekwencjonowanych genomach.

Sami twórcy konsorcjum przyczynili się do przyrostu danych, dorzucając 121 nowych genomów. Dodając to do znanych wcześniej genomów łożyskowców i 161 genomów torbaczy, spoza głównego zakresu zainteresowania konsorcjum, uzyskuje się zbiór 675 gatunków na 5911 wszystkich ssaków (według przyjętej przez nich klasyfikacji).

Zwięrzęta – duże i większe

Kilkaset gatunków na kilka tysięcy może wydawać się nie najgorszą reprezentacją, ale sami badacze przyznają, że dane są obarczone metodycznym skrzywieniem. Sekwencjonuje się bowiem genomy głównie tych gatunków, których przedstawicieli najłatwiej pozyskać badaczom z cywilizacyjnej Północy. Nawet gdy włączy się rezydentów ogrodów zoologicznych, przeważają gatunki stref umiarkowanych o dużych rozmiarach. Najliczniejsze rzędy, czyli gryzonie i nietoperze, są słabiej reprezentowane niż parzystokopytne, drapieżne i naczelne. I to nie tylko proporcjonalnie słabiej, ale nawet w liczbach bezwzględnych. Nie wszystkie analizy wykonano zresztą na całym zestawie – do części użyto ok. 240–250 gatunków. Pod szyldem Zoonomii badano też pojedyncze osobniki.

Takim przypadkiem jest analiza genomu Balto, alaskańskiego psa zaprzęgowego, który zapisał się amerykańskiej historii i kulturze jako wyjątkowo wytrwały. Ciało po śmierci wypchano, przez co po prawie stu latach nadal można analizować jego genom. Okazuje się, że przez kilkadziesiąt lat selekcji ras psów zaprzęgowych (husky, malamut itp.), współcześni ich przedstawiciele mają dużo mniejszą zmienność genetyczną i możliwe, że nie poradziliby sobie z zadaniami stawianymi przed Balto i jego kolegami.

Regiony niewiedzy – rozległe

Większość badań jednak prowadzono, porównując różne gatunki. Wynika z nich, że ponad 10 proc. genomu łożyskowców, w tym człowieka, jest silnie zakonserwowana, czyli identyczna (u 98 proc. badanych). 80 proc. z tych 10 proc. leży poza egzonami (sekwencjami kodującymi białka). A prawie połowa z owych 80 proc. nie odpowiada żadnym znanym dotąd genom – więc mogłyby kiedyś być uznane za śmieciowe DNA, niekodujące białek. Jednak wszystko wskazuje, że za tę konserwację odpowiada dobór naturalny, a nie przypadkowe fluktuacje (dryf genetyczny), więc to DNA musi odgrywać jakąś nieznaną jeszcze rolę.

Co ciekawe, są regiony DNA silnie konserwowane u większości ssaków, ale można znaleźć wyjątki. U nich jest przeciwnie – ewoluują dużo szybciej niż zwykle. Siłą rzeczy najwięcej uwagi zwraca się na te, które odróżniają człowieka nie tylko od ssaków jako masy, ale też od szympansów. Określa się je jako ludzkie regiony przyspieszone (human accelerated regions). Nie kodują białek, a raczej wpływają na zawijanie się cząsteczek DNA, a więc ich trójwymiarowy kształt. W ten sposób wpływają nie tyle na same produkty ekspresji genów, ile na ich ilość i mają charakter regulujący. Regiony te często umieszczone są w pobliżu genów odpowiadających za rozwój neuronów.

Od 28 proc. (u gwiazdonosa) do 75 proc. (u mrówkojada) genów ssaków to geny skaczące, czyli mogące przemieszczać się na dowolną pozycję w genomie tej samej komórki (transpozony, retrotranspozony i im podobne). Co interesujące, z reguły jest ich więcej u mięsożerców, co w interesującym świetle stawia dewizę „jesteś tym, co jesz”. Pojawianie się takich elementów genomu jest skutkiem poziomego transferu genów, a łatwiej o to, gdy i źródło, i odbiorca, to zwierzę (ewentualnie wirus zwierzęcy), niż kiedy są oni przedstawicielami różnych królestw. Proporcja ta jest największa u parzystokopytnych, których w większości mięsożerni przedstawiciele (walenie) mają więcej zakumulowanych elementów tego typu niż ich lądowi, roślinożerni krewni. W innych grupach jest to słabiej widoczne.

Dawne podziały – już nieaktualne

Jeszcze niedawno mówienie o waleniach jako parzystokopytnych mogło zaskakiwać. W ramach Zoonomii prowadzi się kolejne badania filogenetyczne, próbując zrekonstruować podziały, które zaszły jeszcze w mezozoiku. W popularnych opisach ewolucji życia pojawia się wizja świata dinozaurów ze ssakami żyjącymi w ich cieniu i wybuchu rozwoju tej grupy po wielkim wymieraniu kredowym. Paleontolodzy wiedzą, że to daleko idące uproszczenie.

Dość wspomnieć, że przed erą zwierząt znanych powszechnie jako dinozaury, dominowały gady zwane ssakokształtnymi – bezpośredni przodkowie naszej gromady. Ssaki ewoluowały równolegle z dinozaurami. Obecne analizy genomów wskazują, że owszem, bardzo dużo zmian skutkujących dzisiejszym zróżnicowaniem pojawiło się tuż po wielkim wymieraniu (np. odpowiedzialne za różnorodność wśród gryzoni, nietoperzy czy parzystokopytnych), ale dużo pojawiło się niedługo przed nim. A podziały na duże linie, np. oddzielające słonie, powstały w dolnej kredzie, ponad 100 mln lat temu. Podziały pozwalające wyróżnić dzisiejsze rzędy z reguły powstały w górnej kredzie. Inne analizy wykorzystują dane historyczne do szacowania nadchodzących wymierań.

To tylko część odkryć projektu Zoonomia. W odróżnieniu od Zoonomii Darwina nie składają się one na książkę, a na cykl artykułów opublikowanych w najnowszym wydaniu „Science”. Przyznać też trzeba, że cykl ten nie jest jednorodny. Artykuły dotykają tematów na bardzo różnych poziomach, z pewnym przechyleniem antropocentrycznym. Będziemy jeszcze o nich pisać.