Co Alicja odkryła po drugiej stronie lustra, czyli blaski i cienie lustrzanej biologii (1)

Ilustracja: John Tenniel. Domena publiczna.

Czy chciałabyś mieszkać w Domu po Drugiej Stronie Lustra, kiciu? Ciekawa jestem, czy dawaliby ci tam mleko? Może to Lustrzane mleko nie nadaje się do picia?”

(„O tym, co Alicja odkryła po drugiej stronie lustra”. Przekład Maciej Słomczyński).

Alicja i chiralność

Lewis Carroll (1832-1898; prawdziwe nazwisko: Charles Lutwidge Dodgson) był matematykiem, poetą i prozaikiem. Wśród jego książek najbardziej znana jest „Alicja w krainie czarów”. Czytamy w niej o przygodach dziesięcioletniej Alicji w krainie pełnej niesamowitych postaci, jak Zwariowany Kapelusznik czy Pan Gąsienica, w krainie, gdzie wszystko jest możliwe. W drugiej części tej opowieści, „O tym, co Alicja odkryła po drugiej stronie lustra”, Alicja przechodzi na drugą stroną lustra i stwierdza, że wszystko jest tam inne niż po „naszej” stronie. Pytanie Alicji o lustrzane mleko jest jak najbardziej uzasadnione. Dziś wiemy, że lustrzane mleko można by wprawdzie pić, ale nie można by go trawić. Dlaczego? Bo zarówno białka jak i cukry obecne w mleku są cząsteczkami chiralnymi.

Czym jest chiralność (z greckiego χείρ  – ręka)? Jest to cecha niektórych cząsteczek chemicznych polegająca na tym, że cząsteczka i jej lustrzane odbicie nie są identyczne. Nie można ich nałożyć na siebie na drodze przesunięcia równoległego i obrotu w przestrzeni. Ludzka lewa i prawa dłoń to też obiekty chiralne. Cząsteczki będące wzajemnym lustrzanym odbiciem nazywamy enancjomerami. Zjawisko chiralności zostało po raz pierwszy opisane przez Ludwika Pasteura w 1848 r., który badając kryształy soli sodowo-amonowej kwasu winowego, wykazał, że występują one w dwóch postaciach.

W przyrodzie większość cząsteczek to cząsteczki chiralne. Wśród 20 aminokwasów wchodzących w skład białek, tylko jeden (glicyna) nie jest chiralny. Wszystkie pozostałe występują wyłącznie w formie L. Nazwa bierze się stąd, że we wzorze aminokwasu, w którym grupa -COOH jest na górze, grupa NH2 znajduje się po lewej stronie (łac. laevus, lewy). Jeżeli grupa ta jest po prawej stronie, to mamy do czynienia z konfiguracją D (łac. dexter, prawy). (Ryc. 1).

Ryc. 1. Struktury aminokwasów: (A): glicyna, która jest achiralna i (B) alanina, która w przyrodzie występuje w formie L. (C) Porównanie konfiguracji D i L na przykładzie alaniny.  Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.

Lustrzanym odbiciem L-aminokwasu jest D-aminokwas. Białka wchodzące w skład żywych organizmów składają się z L-aminokwasów, chociaż D-aminokwasy też się zdarzają (np. wchodzą one w skład jadu płazów czy stawonogów). Jest to jednak raczej wyjątek niż reguła.

Cząsteczkami chiralnymi są również cukry. Przykładem może być glukoza, cukier o największym znaczeniu dla metabolizmu, który w przyrodzie występuje wyłącznie w konfiguracji D (Ryc. 2).

Ryc. 2. D-glukoza i L-glukoza. Źródło, Wikipedia, domena publiczna.

Inne cukry występujące w przyrodzie są również w konfiguracji D, chociaż na przykład fukoza wchodząca w skład antygenów grupowych ludzkiego układu grupowego krwi ABO ma konfigurację L.

Tak więc zarówno białka, jak i cukry występują w przyrodzie tylko w jednej konfiguracji. Są to L-aminokwasy i (przeważnie) D-cukry. A co z kwasami nukleinowymi (DNA i RNA)? Składają się one z zasad (purynowych lub pirymidynowych), które nie są chiralne, i z chiralnych reszt cukrowych. Te cukry to D-ryboza (w RNA) lub D-deoksyryboza (w DNA). Tak więc DNA i RNA to cząsteczki chiralne.

Chiralne są również lipidy, z których składa się błona komórkowa. Wszystkie powstają z (chiralnego) glicerolo-3-fosforanu. U bakterii i organizmów eukariotycznych występuje on wyłącznie w formie L, a u archeonów (bezjądrowych jednokomórkowych organizmów żyjących w gejzerach) w formie D. Jest to jedyny znany przypadek jednoczesnej obecności lustrzanych form tych samych cząsteczek w różnych domenach życia.

Chiralne cząsteczki wchodzą zatem w skład wszystkich żywych organizmów. „Życie jest formą istnienia chiralnego białka”, można by sparafrazować zdanie Fryderyka Engelsa z książki „Herrn Eugen Dührings Umwälzung der Wissenschaft“, znanej u nas jako „Anty-Dühring” (1877).

Czy może istnieć lustrzane życie?

Wiadomo, że lustrzane komórki nie istnieją, ale w laboratoriach powstało już sporo lustrzanych białek. Wiąże się z nimi duże nadzieje w medycynie, ponieważ białka obecnie stosowane jako leki (np. do zabijania komórek nowotworowych) mają liczne ograniczenia. Są szybko degradowane do małych fragmentów przez obecne w osoczu enzymy zwane proteazami. Ponadto, jako cząsteczki obce dla organizmu mogą być rozpoznane przez komórki układu odpornościowego.

Dlatego właśnie próbuje się tworzyć leki oparte o D-aminokwasy. Nie mają one wad naturalnych białek: proteazy ich nie degradują, a nasz system odpornościowy ich nie widzi. Takie białka są lustrzanymi odbiciami znanych nam białek złożonych z L-aminokwasów (Ryc. 3).

Ryc. 3. Białko złożone z L-aminokwasów i jego lustrzane odbicie (czyli enancjomer) złożone z D-aminokwasów. Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.

Stworzono już wiele „lustrzanych” białek o potencjalnym znaczeniu terapeutycznym, jak np. przeciwciało rozpoznające kinazę ABL, które może mieć zastosowanie w terapii przeciwnowotworowej. Białka takie można jak dotąd otrzymać jedynie w oparciu o chemiczną syntezę peptydów z D-aminokwasów, co jest to procesem długotrwałym, kosztownym i związanym z licznymi ograniczeniami (najdłuższy peptyd otrzymany za pomocą syntezy chemicznej składa się ze 160 reszt aminokwasowych). Dlatego uczeni pracują nad otrzymaniem organizmów, które byłyby w stanie produkować lustrzane białka, co pozwoliłoby na otrzymanie większych białek i obniżenie kosztów.

Czy można stworzyć lustrzane bakterie?

Najprostszymi organizmami, które mogłyby produkować takie białka, są bakterie. Dziś duża część terapeutycznych białek jest produkowana właśnie przez nie, najczęściej przez różne szczepy pałeczki okrężnicy, czyli Escherichia coli. Takich naturalnych bakterii nie można jednak zmusić do produkcji lustrzanych białek. Mogą to robić tylko specjalne bakterie, w których wszystkie procesy zachodzą w oparciu o lustrzane odbicia znanych nam chiralnych cząsteczek. Czy można stworzyć takie bakterie? Jest to skomplikowane, ale nie niemożliwe. Zacząć trzeba od syntezy podstawowych białek i kwasów nukleinowych z D-aminokwasów, L-nukleotydów i L-cukrów (czyli lustrzanych odbić cząsteczek występujących w naturze). I tu zaczynają się problemy. Syntetyczne otrzymanie genomu bakterii składającego się z L-deoksyrybonukleotydów tworzących L-DNA jest dość proste (zasada ta sama, co w przypadku syntezy D-DNA z D-deoksyrybonukleotydów). Małe D-białka też można otrzymać syntetycznie, ale produkcja D-białek w bakteriach będzie wymagała wyprodukowania lustrzanego RNA. W naturalnych komórkach reakcję transkrypcji przeprowadza polimeraza RNA, która potrzebuje do tego D-DNA i D-rybonukleotydów.  W lustrzanej bakterii będzie to lustrzana polimeraza RNA (D-polimeraza RNA), która będzie potrzebowała L-DNA i L-rybonukleotydów. Enzym taki trzeba będzie stworzyć syntetycznie i dostarczyć do bakterii.

Największy problem jest jednak z translacją, czyli syntezą białka w oparciu o sekwencję mRNA. Potrzebne są do tego rybosomy, które u bakterii składają się z 3 cząsteczek RNA oraz około 50 białek. Lustrzany rybosom trzeba będzie zsyntezować z L-rybonukleotydów i D- aminokwasów, co nie jest łatwym zadaniem. Udało się już jednak otrzymać funkcjonalne podjednostki rybosomu, tak więc „pełny” sztuczny rybosom może być wkrótce w zasięgu ręki. Jeżeli powstanie, będzie to pierwszy krok na drodze do otrzymania sztucznej (lustrzanej) bakterii.

Lustrzany rybosom to jednak nie wszystko. Potrzebne jeszcze będą lustrzane tRNA i D-aminokwasy, a także białka, które przyłączają aminokwasy do tRNA (syntetazy aminoacylo-tRNA) oraz pomocnicze białka biorące udział w translacji (tzw. czynniki translacyjne). Wszystkie te białka i RNA trzeba będzie syntezować chemicznie. Jeżeli się to uda, to po przeniesieniu ich do bakterii zawierającej tylko lustrzany genom, taka lustrzana bakteria powinna zacząć samodzielnie funkcjonować. I jeszcze jedno. Lustrzana bakteria będzie potrzebowała D-lipidów do utworzenia błony komórkowej. Je też trzeba będzie syntetycznie otrzymać, przy czym problemem mogą być bakterie przejściowe, to znaczy zawierające jednocześnie D- i L-lipidy. Ich błona komórkowa prawdopodobnie będzie niestabilna.

Ze względu na liczne potencjalne problemy z otrzymaniem lustrzanych bakterii, rozważa się też podejście hybrydowe, czyli otrzymanie bakterii o podwójnej chiralności.  Bakteria taka miałaby naturalny aparat służący do syntezy białek niezbędnych do życia, a lustrzany proces dotyczyłby jedynie tych białek, które mamy zamiar otrzymać. Wymagałoby to jednoczesnej obecności naturalnych i lustrzanych enzymów, przy czym za produkcję lustrzanych białek odpowiadałyby lustrzane rybosomy, przeprojektowane tak, żeby produkowały D-białka (Ryc. 4).

Ryc. 4. Produkcja białek w naturalnej bakterii, w lustrzanej bakterii i w bakterii o podwójnej chiralności. Według: Adamala K. et al., Technical Report on Mirror Bacteria: Feasibility and Risks. Stanford Digital Repository. Licencja CC BY 4.0.

Tak więc lustrzana bakteria wprawdzie jeszcze nie powstała, ale jej stworzenie może być wkrótce całkiem prawdopodobne. Czym będzie się żywić? W warunkach laboratoryjnych będzie można dostarczać jej w pożywce lustrzane odbicia związków, które występują w przyrodzie. A jeżeli zechcemy, żeby taka bakteria mogła żyć poza laboratorium, to z jakich związków chemicznych może korzystać?

Wiadomo, że „naturalne” bakterie nie mogą utylizować L-glukozy, tak więc lustrzane bakterie prawdopodobnie nie będą mogły żywić się powszechną w przyrodzie D-glukozą. Ale są liczne niechiralne substancje, z których lustrzane bakterie mogą korzystać. Przykładem może być glicyna, kwasy tłuszczowe, alkohole czy aminy, a także zasady pochodzące z kwasów nukleinowych. Z aminokwasami może być problem, bo o ile lustrzane bakterie będą mogły prawdopodobnie rozkładać L-aminokwasy (tak jak naturalne bakterie mogą rozkładać D-aminokwasy),  to lustrzane bakterie raczej nie będą mogły rozkładać L-białek. Ale może achiralne związki wystarczą?

Czy stoimy więc u progu nowej ery w biotechnologii? Czy lustrzane bakterie (a może i inne organizmy) spełnią pokładane w nich nadzieje? I przede wszystkim, czy te organizmy są bezpieczne dla świata i dla ludzkości? Na te pytania odpowiem w następnym wpisie.

Literatura dodatkowa

Stereochemia w świecie opisanym przez Lewisa Carrolla po drugiej stronie lustra

https://www.victoriannetwork.org/index.php/vn/article/view/14

Ludwik Pasteur i odkrycie chiralności

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/chir.23349

Lustrzane białka w terapii przeciwnowotworowej

https://www.nature.com/articles/s41467-024-54901-y

Nadzieje związane z lustrzanymi białkami

https://www.science.org/content/article/mirror-image-protein-factories-one-day-make-durable-drugs-body-cant-break

Genealogiczne i kodujące DNA: sukcesy, kontrowersje i bajki

Zestawienie bajki o Jamesie Bondzie z autentyczną historią o zabójcy autostopowiczki i Polakach wysyłających DNA do Chin może się wydawać nie na miejscu. Pokazuje to jednak, w jakim świecie się znaleźliśmy. W świecie, w którym realne odkrycia naukowe, coraz trudniej odróżnić przeciętnemu zjadaczowi chleba od fantastycznych historii. Coraz trudniej jest też wytłumaczyć, dlaczego pewne badania DNA, np. badania STR, dają ograniczoną wiedzę o nas i są dopuszczalne, a niektóre (np. badania eksomów) mogą stanowić wyciek kolejnych bardzo prywatnych danych. Taki mamy klimat, fikcja miesza się z rzeczywistością. Sukcesy biologii są coraz bardziej pozytywnie zaskakujące, ale jednocześnie coraz łatwiej tworzyć teorie spiskowe.

Sukces FBI z października tego roku, to schwytanie zabójcy po 50 latach dzięki badaniu DNA (STR) jego krewnych, zdeponowanego do badań rodowodowych. Z drugiej strony DNA polityków jest strzeżone. Zabiega się, by nie wpadło w niepowołane ręce. Filmowcy nakręcają „Nie czas umierać” (007), gdzie jakoby tworzy się „personalizowaną broń biologiczną”. Kandydat Donalda Trumpa na Szefa Departamentu Zdrowia i Opieki Społecznej w USA, Robert F. Kennedy Jr., insynuuje, że SARS-CoV-2 stworzyli Chińczycy, tak żeby mniej atakował Żydów (głównie aszkenazyjskich), wykorzystując dane o ich DNA. Polacy deponują DNA w Chinach, przed czym ostrzegają polskie służby.  Jak się w tym połapać? Kto opowiada bajeczki i buduje teorie spiskowe, a kto robi coś pożytecznego?

Dlaczego sprawa zabójcy z 1974 roku była trudna?

W 1974 roku w Stanach Zjednoczonych zamordowano autostopowiczkę. Przez kilkadziesiąt lat nie udawało się znaleźć mordercy, pomimo że na miejscu zbrodni znaleziono DNA, które należało do sprawcy. Badania genetyczne prowadzi się w kryminalistyce od połowy lat 80., a zabójca nie trafił do grupy osób podejrzanych lub sprawców czynów zabronionych, których DNA się analizuje. Nie można wykonać badań DNA milionów potencjalnych sprawców w kraju takim jak USA.

Jak więc ostatecznie ustalono, kto był sprawcą, pomimo że FBI nie miało w czasie śledztwa dostępu do DNA sprawcy spoza miejsca zbrodni dla porównania?

W XXI wieku w Stanach Zjednoczonych miliony ludzi wysłało jednak swoje DNA na badania. Bardzo modne są tam np. badania genealogiczne. Dzięki temu FBI (Federalne Biuro Śledcze) ma stopniowo dostęp do coraz większej liczby fragmentów sekwencji DNA Amerykanów. Wśród tych wysyłających DNA na badania rodowodowe nie było zabójcy, ale w tej grupie znaleźli się członkowie jego rodziny. FBI ma dostęp nie do całych genomów osób, które poddały się badaniom, ale do takich fragmentów genomów, które pozwalają określić tożsamość – profili DNA. FBI nie musi więc mieć w pierwszym etapie DNA pozyskanego od sprawcy (poza miejscem zbrodni do porównania), aby z sukcesem prowadzić (wznowić) śledztwo. Dzięki dostępowi do sekwencji DNA określających tożsamość różnych osób, w tym z rodziny sprawcy, DNA znalezione w miejscu zbrodni pozwala zidentyfikować najpierw jego krewnych, a dopiero potem wskazać podejrzanego i ostatecznie nawet zidentyfikować go jako sprawcę. Formalnie dostępne dla FBI są wzorce (sygnatury) – loci z charakterystyczną liczbą powtórzeń alleli mikrosatelitarnych/STR (ang. short tandem repeats, krótkie tandemowo powtarzane sekwencje DNA). Ten typ działalności nazywa się śledczą genealogią genetyczną investigative genetic genealogy (IGG). Takie DNA na potrzeby tytułu nazwano również genealogicznym. W ostatnich latach wskazywania sprawców dzięki tym badaniom prowadziło również do uniewinnienia osób skazanych. Bracia Bintz zostali oczyszczeni z zarzutu gwałtu i morderstwa po 24 latach.

Genetic Genealogy Can Stop Violent Criminals and Free the Wrongly Convicted | Scientific American

Sprawa morderstwa implikuje pewne dylematy prywatność vs. bezpieczeństwo

W opisanych przypadkach nikt nie ma wątpliwości, że takie badania i dostęp do baz danych są uzasadnione. Natomiast generalnie implikuje to pytanie o to, jaką wiedzę o członkach społeczeństwa mogą mieć instytucje rządowe. Badania STR przypominają trochę (chociaż jest ważna różnica) badania odcisków palców (daktyloskopijne). Obecnie każdy udostępnia swoje odciski palców w wielu sytuacjach, chociażby występując o paszport. Badanie STR, co do zasady, nie ujawnia żadnych danych genetycznych o osobie poza jej tożsamością. Nie da się na tej podstawie przewidzieć choroby, czy ogólnie cech zależnych od genomu. Z drugiej strony, jeśli ktoś inny jest deklarowanym rodzicem, a ktoś inny biologicznym, to FBI może mieć o tym wiedzę dzięki badaniu STR, a badanie odcisków palców takiej wiedzy nie daje. Zależność między liniami papilarnymi rodziców i dzieci jest niewielka i nawet bliźnięta jednojajowe mają inne linie papilarne, ale mają w zasadzie takie same sekwencje STR. Na podstawie odcisków palców członków rodziny sprawcy nie da się wytypować sprawcy. Analogia odcisku palca nie jest więc precyzyjna. Wydaje się jednak, że badania genealogiczne DNA będą dopuszczalne w kryminalistyce. Tym bardziej, że jak opisano powyżej, wykorzystano te badania z powodzeniem do oczyszczenia osób niewinnych a skazanych.

Więcej o badaniach DNA w kryminologii dla „Eksperyment myślowy” pisał Marcin Czerwiński.

Na tropie przestępców, czyli analiza DNA w kryminalistyce (1) – Eksperyment Myślowy

Nie każde badanie DNA daje tak ograniczoną wiedzę o jego właścicielu jak badanie fragmentów STR

Badanie części kodującej daje o wiele większą wiedzę niż badanie STR. Amerykanie są oskarżani o zbieranie DNA światowych polityków. Przy czym jednocześnie bardzo dbają o to, żeby DNA ich polityków nie dostało się w niepowołane ręce. Stało się to nawet inspiracją do fabuły „Nie czas umierać” (James Bond 007), gdzie na podstawie sekwencji DNA stworzono selektywną (personalizowaną) broń biologiczną. To oczywiście bajka. Podobnie jak to, że Chińczycy stworzyli SARS-CoV-2 w oparciu o sekwencje DNA Europejczyków i Amerykanów, w tym Żydów, żeby siać większe spustoszenie wśród pewnych grup etnicznych. Nie ma takiej możliwości. Autor próbował odnieść się do tej problematyki w tym tekście: Wirus Marburg (MARV) vs. SARS-CoV-2 – Eksperyment Myślowy. Twierdzenia Roberta F. Kennedy’ego juniora o tworzeniu SARS-CoV-2 w takim celu stanowią przykład typowej teorii spiskowej. Nie da się jej zbudować bez posiadania pewnego punktu zaczepienia. Na tym ogólnie polegają działania wielu pseudonaukowców, manipulatorów i dezinformatorów. Na podstawie pewnych realnych sytuacji, jak wykrywanie sprawców po badaniach STR czy diagnostyka chorób genetycznych po badaniach eksomów, tworzy się absurdalne narracje. Miesza się przekazy prawdziwe z całkowicie fikcyjnymi, wyolbrzymia się pewne możliwości, a przeciętna osoba ma prawo mieć problem z odróżnieniem realności od fikcji. Przecież DNA polityków jest z jakiegoś powodu chronione, a James Bond nie dla każdego jest postacią całkowicie fikcyjną.

Czy zagrożenie związane z przekazywaniem DNA do analiz w ogóle nie istnieje?

Czy Polacy deponują gdzieś swoje „DNA”? Tak, robią to np. coraz częściej właśnie w Chinach. Bo Chińczycy za stosunkowe małe pieniądze obiecują, że na podstawie badań genomu wiele dla deponujących „przepowiedzą”. Jest to często obietnica bez pokrycia. Do Chin trafiają też próbki DNA zdesperowanych rodziców, którzy próbują dokonać poważnej diagnostyki chorób genetycznych dzieci. Szacuje się, że w Chinach znajdują się próbki 100 tysięcy Polaków. Obywatele z kraju wolnościowców deponują swoje DNA (i to nie tylko sekwencje STR ale sekwencje kodujące/eksom) w kraju, który uważają za miejsce ograniczania wolności. A co z tym zrobią Chińczycy? Mogą wykorzystać to DNA np. do profilowania farmakologicznego. Tworzenia terapii, które będą skuteczniejsze dla Europejczyków, aby podbić nasz rynek jakimś lekiem. Mogą zdobyć o kimś wiedzę, która będzie uznana za jego słabość, jak np. predyspozycja do choroby.

Rozeznanie, co jest naukowe, a co pseudonaukowe, jest coraz trudniejsze. Jest to jednak nadal możliwe przy odrobinie cierpliwości i gotowości do studiowania tych zagadnień.

W trakcie pracy nad tekstem wiele cennych uwag wnieśli: Wiesław Seweryn i Tomasz Kubowicz.

Mary Schlais Wisconsin 1974 cold case solved after killer identified with genetic genealogy | CNN

Genetic genealogy: How a field pioneered by amateurs changed the way cops solve cold cases | CNN

Justice Delayed but not Denied: Bintz Brothers Exonerated After 24 Years with the Help of IGG – Investigative Genetic Genealogy Center (IGG)

Chiny posiadają ok. 100 000 polskich genomów. Komitet Genetyki Człowieka PAN alarmuje

Ryby dwudyszne i paradoksy genomiki

My, mięśniopłetwi

Prawdopodobnie około 430 mln lat temu, czyli w środkowym sylurze, od przodka ryb promieniopłetwych (Actinopterygii) oddzieliła się linia ewolucyjna znana jako mięśniopłetwe (Sarcopterygii). Jak sama nazwa wskazuje, wyróżniały się one budową płetw parzystych, które osadzone były na dobrze umięśnionych trzonach kostnych, zopatrzonych w stawy. Zwierzęta te miały też kilka innych cech szczególnych, na przykład zęby pokryte szkliwem złożonym głównie z twardego hydroksyapatytu. I promieniopłetwe, i mięśniopłetwe (tworzące wspólnie grupę ryb kostnych) miały przed sobą wielką przyszłość. Każda z nich obejmuje dziś po ok. 50% gatunków kręgowców (pozostawiając na marginesie ryby chrzęstne oraz minogi i śluzice). Gdyby obie pozostały w środowisku wodnym, musiałyby konkurować z sobą, tak się jednak złożyło, że ogromna większość współczesnych mięśniopłetwych to zwierzęta lądowe.

Mięśniopłetwe dość szybko podzieliły się na kolejne linie rozwojowe. Pierwsza z nich to trzonopłetwe (Actinistia), których największy rozkwit przypadał na wczesny trias. W jurze i kredzie były mniej zróżnicowane, ale za to niektóre gatunki osiągnęły olbrzymie rozmiary (ponad 5 m długości). Niemal wszystkie trzonopłetwe wymarły jednak z końcem mezozoiku. Jakimś cudem do naszych czasów przetrwały podręcznikowe „żywe skamieniałości” – dwa gatunki z rodzaju Latimeria.

Pozostałe mięśniopłetwe już wkrótce – na przełomie syluru i dewonu (420 mln lat temu) – uległy kolejnemu podziałowi na dwudyszne (Dipnoi) i grupę Tetrapodomorpha, której najstarsi przedstawiciele nadal żyli w wodzie: najpierw na płyciznach u wybrzeży morskich i w lagunach, a pod koniec dewonu coraz częściej w wodach słodkich. Ponieważ jednak posiadali płuca i mogli oddychać tlenem atmosferycznym, dzięki umięśnionym płetwom potrafili także wypuszczać się poza macierzysty żywioł i człapać po lądzie. Najstarsze skamieniałe ślady takich wędrówek (390 mln lat temu) odkryto w Zachełmiu w Górach Świętokrzyskich. Nieco młodsze pochodzą z Irlandii i Australii. Te wczesne eksperymenty doprowadziły w końcu do prawdziwego wyjścia na ląd około 375 mln lat temu. Umięśnione płetwy wyewoluowały w prawdziwe kończyny zakończone dłonią lub stopą z palcami. Jako jedyne w owym czasie kręgowce lądowe, Tetrapodomorpha miały dużą swobodę zasiedlania różnych nisz ekologicznych i ochoczo z niej skorzystały. Około 340 mln lat temu, w karbonie, żył ostatni wspólny przodek wszystkich dzisiejszych czworonogów lądowych (Tetrapoda), czyli na przykład człowieka i rzekotki drzewnej.

Nasi nieco zapomniani kuzyni

Ale zostawmy na boku czworonogi i przyjrzyjmy się ich grupie siostrzanej, czyli dwudysznym. W dewonie była to spora grupa kręgowców morskich: kiedy nasi praprzodkowie podejmowali próby wyjścia na ląd, w morzach żyło około stu gatunków bardzo różnorodnych dwudysznych. Podobnie jak tetrapodomorfy, posiadały one (obok skrzeli) płuca – worki powietrzne umożliwiające oddychanie powietrzem, co pomagało im przeżyć w wodzie ubogiej w rozpuszczony tlen. Płuca wywodzą się z tych samych pierwotnych struktur co pęcherze pławne ryb promieniopłetwych, ale mają bardziej skomplikowaną budowę: są podzielone na wielką liczbę mniejszych pęcherzyków w celu zwiększenia powierzchni wymiany gazowej. Dwudyszne bardzo wcześnie wyspecjalizowały się w polowaniu na zwierzęta osłonięte twardymi skorupami lub pancerzami, rozwinęły więc unikatową formę uzębienia w postaci masywnych płytek zębowych do miażdżenia twardego pokarmu, łatwo rozpoznawalnych w zapisie kopalnym.

Ryc. 1.

Niemal wszystkie karbońskie dwudyszne przeniosły się z oceanu do wód słodkich. Jedna z ich linii, klasyfikowana jako rząd Ceratodontiformes, objęła swoim zasięgiem cały superkontynent Pangei. Ich mezozoiczne skamieniałości znane są także z Polski. Większość dwudysznych wyginęła z końcem kredy, niektóre nieco później, w eocenie. Do naszych czasów dożyli przedstawiciele jednej z podgrup Ceratodontiformes, która po rozpadzie Pangei wyodrębniła się na południowym superkontynencie, Gondwanie. W miarę jak sama Gondwana dzieliła się na część wschodnią (Antarktyda, Australia, Nowa Zelandia, Indie i Madagaskar) oraz zachodnią (Afryka i Ameryka Południowa), zamieszkujące ją dwudyszne ewoluowały niezależnie na powstających kontynentach, dając początek odrębnym rodzinom.

Australijskim reliktem tego procesu jest rogoząb (Neoceratodus forsteri) z rzek południowo-wschodniego Queenslandu, ostatni żyjący przedstawiciel rodzaju znanego od kredy. W odróżnieniu od innych dzisiejszych dwudysznych zachował dobrze rozwinięte umięśnione płetwy, duże łuski i w pełni funkcjonalne skrzela, którym towarzyszy pojedyncze płuco. Dla rogozęba ewolucja jakby się zatrzymała: wygląda bardzo podobnie do najstarszych przedstawicieli Ceratodontiformes, a na przykład budową mózgu bardziej przypomina trzonopłetwe niż swoich dwudysznych kuzynów. Nie zapada też w sen letni (estywację), aby w ten sposób przetrwać porę suchą.

Różnice te wynikają stąd, że linia rodowa rogozęba wyodrębniła się w jurze, 150–200 mln lat temu. Wspólni przodkowie pozostałych współczesnych dwudysznych zamieszkiwali Gondwanę Zachodnią aż do jej rozpadu na Afrykę i Amerykę Południową, który nastąpił 100 mln lat temu. Wówczas rozwinęły się dwie kolejne linie, każda reprezentowana dziś przez jeden rodzaj: afrykański prapłetwiec (Protopterus) z czterema żyjącymi gatunkami i południowoamerykański prapłaziec (Lepidosiren) z jednym gatunkiem (L. paradoxa).1 Prapłetwiec i prapłaziec mają wiele cech wspólnych wskazujących na bliskie pokrewieństwo (co potwierdzają badania genetyczne): węgorzowate ciało pokryte drobną łuską, płetwy parzyste zredukowane do wiotkich, nitkowatych wyrostków, parzyste płuca, skrzela uwstecznione i praktycznie niefunkcjonalne u dorosłych osobników oraz zdolność do estywacji, czyli zapadania w sen letni w kokonie z zaschniętego śluzu w komorze wykopanej w błocie.2

Rekordowe genomy

Wszystkie współczesne dwudyszne mają jeszcze jedną cechę szczególną, niewidoczną gołym okiem: ogromne genomy. Genomy te są tak wielkie, że trudno było nawet oszacować ich długość metodami dawniej dostępnymi. Dopiero w 2021 r. udało się w pełni zsekwencjonować i zestawić w całość genom rogozęba. Okazało się, że zawiera on 43 miliardy par zasad (43 Gbp), czyli jest ok. 14 razy większy niż genom człowieka (3 Gbp).3 Wówczas rogoząb został oficjalnym rekordzistą całego królestwa zwierząt (tylko zwierząt, bo genomy roślinne bywają jeszcze większe).4 Nie na długo, gdyż jak pisałem w zeszłym roku, mały skorupiak zwany krylem antarktycznym (Euphausia superba) niebawem zdetronizował rogozęba jako posiadacz genomu złożonego z 48 Gbp.

Nowe odkrycia mieszają jednak stale w takich rankingach. Ten sam zespół, który trzy lata temu zbadał genom rogozęba, powtórzył ten wyczyn z genomami prapłetwca brunatnego (Protopterus annectens) i prapłaźca. Tytuł rekordzisty wrócił do dwudysznych. Prapłetwiec brunatny, jak się okazało, ma genom zawierający 47 Gbp – większy niż rogoząb, choć nie aż tak wielki, żeby pokonać kryla. Jednak prapłaziec naprawdę wymiata: jego genom liczy aż 91 Gbp, czyli trzydziestokrotnie przewyższa objętością genom ludzki i jest niemal dwukrotnie większy niż genom kryla antarktycznego. Podawana często jeszcze większa wartość (133 Gbp) dla prapłetwca abisyńskiego (P. aethiopicus) jest możliwa, ale wynika z oszacowań, które mogą być grubo zawyżone. Nie jest zatem oficjalnym rekordem królestwa zwierząt, dopóki genom tego gatunku nie został w pełni zsekwencjonowany.

Ryc. 2.

Skąd i po co tak wielkie genomy? Nie jest to cecha, która łączyłaby wszystkie mięśniopłetwe. Kręgowce lądowe w zasadzie mają genomy średnich rozmiarów: ludzkie 3 Gbp jest bliskie wartości przeciętnej dla kręgowców. Genom latimerii jest nieco mniejszy od ludzkiego. Wyjątkiem są salamandry, czyli płazy ogoniaste. W tej grupie także mamy do czynienia z przypadkami rozrostu genomów do rzadko spotykanych rozmiarów. Niestety dotąd zbadano szczegółowo tylko niewielką część płazich genomów. Spośród tych, które zsekwencjonowano i zestawiono w całość, niektóre osiągają 32 Gbp (genom aksolotla, Ambystoma mexicanum). Z pewnością górna granica możliwości salamander leży znacznie wyżej i kto wie, czy nie są one godnymi konkurentami dla dwudysznych, ale żeby się przekonać, czy tak rzeczywiście jest, musimy cierpliwie poczekać na wyniki dalszych badań.

Puchnięcie genomów dwudysznych jest starsze niż podział na współcześnie występujące rodzaje. Zaczęło się jeszcze w karbonie (300 mln lat temu) i wyhamowało po około 100 milionach lat, a jego śladem jest widoczny u kopalnych dwudysznych systematyczny wzrost wielkości komórek tkanki kostnej. Następnie – już po oddzieleniu się Ameryki Południowej od Afryki, a prapłaźców od prapłetwców – prapłaźce znowu zaczęły dynamicznie namnażać swoje DNA. Łatwo policzyć, że jeśli w ciągu 100 mln lat odrębnego rozwoju przybyło im około 40 miliardów par zasad, to co 10 milionów lat przybywało go średnio więcej niż cała objętość genomu ludzkiego.

Szalone transpozony

Czasem za wzrost rozmiarów genomu odpowiada poliploidalność, czyli podwojenie całego zestawu chromosomów. Kilka przypadków takiego zwielokrotnienia całego genomu zdarzyło się we wczesnej historii prymitywnych kręgowców, o czym pisałem tutaj. Ale u dwudysznych nie zaszło nic podobnego. Przeciwnie, ich kariotyp, czyli układ chromosomów, jest bardzo zachowawczy i niewiele się zmienił od czasu, kiedy ich przodkowie rozstali się z przodkami czworonogów. Natomiast same chromosomy są olbrzymie: większość z nich przewyższa wielkością genom człowieka.

Tym, co spowodowało ich rozrost, było namnażanie się „samolubnego” DNA, a szczególnie retroranspozonów typu LINE. Aktywny transpozon tego typu (zwany popularnie, choć nieściśle, „skaczącym genem”) przypomina w działaniu wirusy: koduje dwa białka umożliwiające mu tworzenie własnych kopii i wklejanie ich w inne miejsca genomu. Z czasem aktywność transpozonu zanika, bo losowe mutacje prędzej czy później uszkadzają geny potrzebne do autoreplikacji. Ponieważ skutki niekontrolowanego mnożenia się kopii LINE mogą zagrażać stabilności genomu, istnieją na poziomie komórki różne mechanizmy trzymające transpozony w ryzach. Sekwencje typu LINE stanowią ok. 21% genomu człowieka; są to jednak w znakomitej większości (ok. 99,9%) transpozony już nieaktywne lub ich poszatkowane szczątki.

Tymczasem w genomie prapłaźca zidentyfikowano ponad 75 tysięcy niezdegradowanych długich retrotranspozonów LINE, w znacznej części aktywnych. U prapłetwca jest ich mniej, ale towarzyszą im także retrotranspozony SINE, powielające się w nieco inny sposób. U rogozęba (podobnie jak u salamander) dużą rolę odgrywają ponadto tzw. retrotranspozony LTR. Efekt ich aktywności jest w sumie podobny: genom stopniowo zapełnia się powtarzalnymi sekwencjami DNA różnej długości (do kilku tysięcy par zasad). Wypełniają one przestrzenie między genami i introny (niekodujące sekwencje rozdzielające kodujące odcinki genu). Jest to jedna z przyczyn, dla których tak długo nie można było dokonać złożenia w całość sekwencjonowanych genomów dwudysznych: przypominało ono próby odtworzenia układu puzzle’a, w którym większość kawałków nie różni się wyglądem. Przełom nastąpił dopiero po zastosowaniu technik tzw. trzeciej generacji, czyli sekwencjonowania nanoporowego, które umożliwia bezpośrednią identyfikację długich i ultradługich odcinków DNA.

Zidentyfikowane sekwencje powtarzalne różnego typu stanowią 93% genomu prapłaźca, 85% genomu prapłetwca i 81% genomu rogozęba (u człowieka jest to co najmniej 45%, ale według niektórych oszacowań nawet powyżej 60%). Autorzy badania zwracają uwagę na wyjątkowo niski u dwudysznych poziom ekspresji tzw. piRNA (małych, niekodujących cząsteczek RNA o średniej długości 28 nukleotydów) i na zmniejszoną liczbę genów kodujących pewne białka z domeną zwaną „palcem cynkowym”. Jedne i drugie odpowiedzialne są między innymi za wyciszanie aktywnych retrotranspozonów. Osłabienie tych mechanizmów obronnych jest zapewne jedną z przyczyn, które pozwoliły traspozonom szerzyć się w genomach tych gatunków. Mimo wszystko nie doprowadziło to do przemeblowania układu chromosomów ani do innych dramatycznych skutków. Fragmenty genomu szczególnie wrażliwe (na przykład zwarte grupy genów homeotycznych, kontrolujących rozwój morfologiczny organizmu) są nadal chronione przez dobór naturalny przeciwstawiający się wklejaniu wewnątrz nich kopii transpozonów.

Czy te miliony dodatkowych kopii są do czegoś potrzebne swoim nosicielom? Ponieważ ewolucja lubi czasem złożyć coś sensownego z nagromadzonych rupieci, także „oswojone” transpozony mają potencjał użytkowy: bywają przypadkowym źródłem korzystnych innowacji. Jednak większość z nich nie pełni żadnej konkretnej funkcji. Są tolerowane, bo w ewolucyjnym bilansie strat i zysków czyszczenie genomu z niepotrzebnych elementów może nie być dostatecznie opłacalne. Wszystkie trzy rodzaje dwudysznych mają podobną liczbę genów kodujących białka – około 20 tysięcy (mniej więcej tyle samo co człowiek) i zapewne po kilka tysięcy funkcjonalnych genów RNA (też podobnie jak człowiek). Jeśli dodać do tego różne inne typy użytecznych sekwencji niekodującego DNA, to według wszelkiego prawdopodobieństwa dwudyszne mają go – co do rzędu wielkości – podobną ilość jak człowiek. Natomiast u prapłaźca niefunkcjonalne („śmieciowe”) sekwencje DNA zajmują nie 90% (jak u człowieka), ale 99,7% genomu. Popularne wyobrażenie o tym, że natura jest oszczędna i nie znosi bezużytecznego nadmiaru, zupełnie się nie sprawdza w tym przypadku.

Paradoks wartości C, czyli nie tylko długość się liczy

Prapłetwiec brunatny i prapłaziec są bliskimi kuzynami i niewiele się różną budową ciała, fizjologią i trybem życia – dla laika wyglądają ta samo – a jednak ich genomy różnią się wielkością dwukrotnie. Ta dysproporcja (jeszcze bardziej uderzająca np. wśród salamander lub w wielu grupach roślin) nazywana jest paradoksem wartości C (chodzi o jedną z miar wielkości haploidalnego genomu). Okazuje się, że nie ma uchwytnego związku między złożonością czy „zaawansowaniem ewolucyjnym” organizmu a rozmiarami jego genomu.

Niewielka ryba z rodziny rozdymkowatych, kolcobrzuch zielony (Dichotomyctere nigroviridis), żyjąca w słonawych i słonych wodach u wybrzeży Azji Południowo-Wschodniej, ma genom o objętości 340 milionów par zasad (340 Mbp), czyli 9 razy mniejszy niż genom człowieka albo – powiedzmy – myszy domowej (Mus musculus) i prawie 270 razy mniejszy niż genom prapłaźca. Kolcobrzuch ten posiada 23 pary chromosomów (o cztery więcej niż prapłaziec, o trzy więcej niż mysz i tyle samo co człowiek), ale każdy chromosom jest wielokrotnie mniejszy od ludzkich bądź mysich, nie wspominając o prapłaźcowych. A jednak użyteczna zawartość genomu kolcobrzucha jest taka jak zwykle: około dwudziestu tysięcy genów kodujących białka, sporo genów RNA – no i zostaje jeszcze aż nadto miejsca na inne sekwencje DNA użyteczne w mniej oczywisty sposób. Natomiast u kolcobrzucha, podobnie jak u wielu jego krewnych o niewiele większych genomach5, zanikła duża część DNA położonego poza genami i w intronach. Powtarzalne sekwencje pochodzenia transpozonowego stanowią tylko kilka procent ich genomów.6

Ryc. 3.

Ewolucja wielkości genomu to gra dwóch przeciwstawnych tendencji. Z jednej strony mamy drobne, pospolite mutacje zwane indelami (insercje i delecje): wstawiają one lub usuwają krótkie fragmenty DNA lub nawet pojedyncze pary zasad. W porównaniu z insercjami delecje są statystycznie nieco częstsze i obejmują nieco dłuższe sekwencje. Gdyby zatem nie działały inne czynniki, genom kurczyłby się powoli, ale systematycznie. Ta jego część, która ewoluuje neutralnie, bo nie chroni jej dobór naturalny, ulegałaby stopniowej erozji. W końcu pozostałoby z genomu to, co niezbędne do funkcjonowania organizmu: rdzeń złożony z sekwencji, których nie da się bezkarnie pozbyć. Z drugiej strony mamy powielające się aktywne transpozony i rzadkie, ale dramatyczne przypadki podwojenia większych fragmentów chromosomów, regionów obejmujących cały gen lub wiele genów, a nawet całego genomu, jak w przypadku poliploidyzacji. O ile nie prowadzą do śmierci lub bezpłodności, mogą błyskawicznie zwiększyć rozmiary genomu, kompensując jego kurczenie się wsputek losowych delecji. Oczywiście erozja nie ustępuje i zachodzi nadal, ale robi to w żółwim tempie, więc co pewien czas tendencja do wzrostu nadmiarowego DNA wyprzedza tendencję do jego redukcji.

W końcu ustala się jakaś dynamiczna równowaga między dodawaniem DNA (co jest głównie skutkiem działania transpozonów) a jego ubywaniem (głównie wskutek skromnych delecji drążących genom jak woda skałę). Mechanizmy wyciszania transpozonów nie są niezawodne, ale przynajmniej zapobiegają rozdymaniu genomu do nieporęcznych rozmiarów. Dla większości organizmów nadmiar DNA jest niemal obojętny. Typowa wielkość genomów ssaków łożyskowych to 2,5–3,5 Gbp. Znaczna większość tego DNA jest nadmiarowa, ale jego obecność nie wiąże się z kosztem wymagającym radykalnego odchudzania.

Może się jednak zdarzyć, że rozwój danej linii ewolucyjnej idzie w kierunku zmniejszenia rozmiarów komórek i jądra komórkowego; pożądane jest wtedy także „okrojenie” chromosomów. Tak było na przykład w przypadku kręgowców latających (nietoperzy i ptaków, a prawdopodobnie także pterozaurów) w związku z ich wyjątkowo intensywnym metabolizmem stałocieplnym. Pojawia się wtedy presja selekcyjna na usunięcie choćby części zbędnego DNA. Dlatego przeciętna wielkość genomu nietoperzy to ok. 2 Gbp – o jedną trzecią mniej niż u człowieka.7 Genomy ptaków są jeszcze mniejsze (zwykle ok. 1 Gbp) i zawierają tylko 4–10% sekwencji powtarzalnych; ptasie geny mają także skrócone introny. W ewolucji obu grup aktywność transpozonów nigdy nie ustała, ale pod naciskiem doboru naturalnego punkt równowagi między dodawaniem a ujmowaniem DNA przesunął się ku niższym wartościom.

Nie znamy dokładnie przyczyn, dla których rozdymkowate pozbyły się większości śmieciowego DNA, ale nietrudno się domyślić, jak to się stało. Każdy dostatecznie efektywny mechanizm hamujący namnażanie się transpozonów prowadzi z czasem do odchudzenia genomu – wystarczy poczekać kilkadziesiąt milionów lat. I odwrotnie: jeśli pozwalamy transpozonom „iść na całość”, to po kilkudziesięciu milionach lat mamy genom wypchany ich kopiami (w większości nieaktywnymi). Dwudyszne są przeciwieństwem ptaków i nietoperzy: ich metabolizm jest spowolniony, a komórki i jądra komórkowe – bardzo duże. Dożywają od ośmiu (prapłaziec) do kilkudziesięciu, a nawet ponad stu lat (rogoząb), spędzając życie w mulistych rzekach i jeziorach i nigdzie się nie śpiesząc. Do tego prapłetwce i prapłaźce zapadają sezonowo w sen letni, podczas którego tempo przemiany materii spada jeszcze sześćdziesięciokrotnie. Nie podlegają zatem silnemu naciskowi doboru przeciwko samolubnym transpozonom.

Przypisy

  1. Oficjalnie istnieje zatem sześć gatunków współczesnych dwudysznych (cztery w Afryce i po jednym w Australii i Ameryce Południowej), jednak z badań genetycznych wynika, że populacje prapłaźców z dorzeczy Amazonki i Parany rozdzieliły się się kilka milionów lat temu i różnice genetyczne między nimi są podobnego rzędu jak między gatunkami prapłetwców. Mamy zatem prawdopodobnie do czynienia z gatunkami kryptycznymi (nieodróżnialnymi morfologicznie). ↩︎
  2. Nie jest to jednak wyłącznie cecha tej grupy dwudysznych, bo estywacja podobnego typu występowała już u dość pierwotnych Ceratodontiformes z rodzaju Gnathorhiza, który żył od późnego karbonu do wczesnego triasu. Świadczą o tym skamieniałości tych zwierząt, zachowane w wykopanych przez nie norach. ↩︎
  3. Tu i w dalszym ciągu mówimy o genomie haploidalnym, czyli takim, jaki występuje w komórkach płciowych, zawierających jeden komplet chromosomów. ↩︎
  4. Ze wszystkich dotąd zbadanych organizmów największy genom ma Tmesipteris truncata, australijska paproć z rodziny psylotowatych. Zawiera on 160 miliardów par zasad, czyli ok. 50 razy więcej niż genom człowieka. ↩︎
  5. Należy tu szereg gatunków rozdymkowatych, między innymi rozdymka tygrysia (Takifugu rubripes), której genom liczy około 400 Mbp (7,5 raza mniej niż genom ludzki). Dzięki temu kompaktowemu genomowi rozdymka tygrysia zdobyła sławę jako drugi po Homo sapiens gatunek, którego DNA zsekwencjonowano w całości. Bardzo małe genomy (nieco ponad 400 Mbp) mają także najmniejsze znane promieniopłetwe, jednocentymetrowej długości rybki karpiowate z rodzaju Paedocypris. ↩︎
  6. Co ciekawe, u kolcobrzucha znaleziono ponad trzy razy więcej typów transpozonów niż u ludzi, ale mają one średnio po kilka tysięcy kopii, podczas kiedy u ludzi są tych kopii miliony. ↩︎
  7. Nietoperze znane są jako naturalny rezerwuar wirusów, nic więc dziwnego, że w ich genomach można znaleźć wielką liczbę retrowirusów endogennych, natomiast liczba transpozonów jest zredukowana, a szczególnie częste u człowieka retrotranspozony LINE-1 zupełnie zanikły u owocożernych nietoperzy z rodziny rudawkowatych. ↩︎

Opisy ilustracji

Ilustracja w nagłówku. Schemat struktury retrotranspozonu LINE-1. ORF1 i ORF2 to tzw. otwarte ramki odczytu (open reading frames), które mogą ulec translacji na białka. LINE-1 koduje dwa białka umożliwiające mu wklejenie własnej kopii w innej lokalizacji w genomie. Źródło: Michelle Tetreault Carlson 2022, blog Active Motif (fair use).
Ryc. 1. Kopalna ryba dwudyszna Dipterus valenciennesi ze środkowego dewonu (ok. 385 mln lat temu). Skamieniałość i rekonstrukcja wyglądu. Źródło: Orkney Landscapes (licencja CC BY-NC-SA 2.0).
Ryc. 2. Południowoamerykański prapłaziec (Lepidosiren paradoxa), chwilowy rekordzista w kategorii długości genomu w królestwie zwierząt. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY-SA 2.5).
Ryc. 3. Kolcobrzuch zielony (Dichotomyctere nigroviridis), kręgowiec o rekordowo małym genomie. Foto: FishWise Professional. Źródło: iNaturalist (licencja CC BY-NC-SA).

Lektura dodatkowa (dla dociekliwych)