Nobel 2024 i Nobel 2006, czyli mikroRNA i siRNA: podobieństwa i różnice

Nagrodę Nobla z fizjologii lub medycyny otrzymali w roku 2024 Victor Ambros z Uniwersytetu Massachusetts i Gary Ruvkun z Uniwersytetu Harvarda za „odkrycie mikro RNA i jego roli w post-transkrypcyjnej regulacji ekspresji genów”. Tu ciekawostka polonijna: ojciec Victora, Longin Bohdan Ambros, urodził się w roku 1923 w Polsce we wsi Dardziszki (powiat Oszmiana, województwo wileńskie, obecnie Białoruś). Osierocony w wieku 8 lat, otrzymał stypendium dla zdolnych dzieci, dzięki któremu mógł podjąć naukę w gimnazjum w Wilnie. Ale uczył się tam tylko rok, bo wybuchła wojna, a on, uciekając przed armią radziecką wpadł w ręce Niemców, którzy zmusili go do pracy w przemyśle zbrojeniowym. Uwolniony przez Amerykanów, pomagał amerykańskim oficerom w sztabie, który znajdował się w rezydencji bogatego Niemca. Była tam duża biblioteka, która umożliwiła mu kontynuowanie edukacji, w tym naukę obcych języków (w sumie znał ich 5). Po wojnie służył w armii amerykańskiej, a obywatelstwo otrzymał w 1953 r. Prowadził farmę w stanie Vermont i miał ośmioro dzieci. Jednym z nich był Victor, pierwszy uczony w rodzinie. Opowiada o tym (a także o swoich odkryciach) w bardzo ciekawym wywiadzie, który przeprowadziła Jane Gitschier dla czasopisma PLOS Genetics.

Nagroda Nobla 2006: interferencja RNA

Nagroda Nobla dla Ambrosa i Ruvkuna nie jest jednak pierwszą nagrodą za odkrycie regulacji genów przez małe cząsteczki RNA. W roku 2006 Andrew Fire z Uniwersytetu Stanforda i Craig Mello z Uniwersytetu Massachusetts otrzymali Nagrodę Nobla za „odkrycie interferencji RNA – wyciszania genów przez dwuniciowe RNA”. Mamy więc dwie nagrody Nobla za odkrycie podobnych zjawisk. Ale czym jest regulacja ekspresji genów i dlaczego ten proces jest tak ważny?

Regulacja ekspresji genów

Komórki różnych tkanek zawierają ten sam zestaw genów, ale tylko niektóre z tych genów ulegają ekspresji (czyli kodowane przez nie białko zostaje wyprodukowane) w danym miejscu i czasie. Jest to sprawa wielkiej wagi, bo każdy rodzaj komórki wymaga obecności ściśle określonych białek kodowanych przez ściśle określone geny, musi więc być precyzyjnie regulowany. Proces ten nazywamy regulacją ekspresji genów (Ryc. 1). Pierwszym jej etapem jest związanie enzymu syntezującego RNA, czyli polimerazy RNA, do elementów regulatorowych genu. Może to mieć miejsce tylko w obecności białek zwanych czynnikami transkrypcyjnymi, które swoiście rozpoznają sekwencje DNA w elementach regulatorowych genu. Współdziałanie tych białek i polimerazy RNA sprawiają, że powstaje mRNA (które przeważnie później zostanie „przepisane” na białko). Można zapytać: czy powstanie mRNA równa się powstaniu białka? Niekoniecznie. Mechanizmy takiej regulacji ekspresji genów zostały opisane przez laureatów Nagród Nobla z 2006 i 2024 r.

Ryc. 1. Przepływ informacji genetycznej od DNA do białka. Według: Nobel Foundation, Licencja CC BY 4.0.

Co to jest mikroRNA?

Victor Ambros i Gary Ruvkun badali wpływ mutacji genów u niepasożytniczego nicienia Caenorhabditis elegans, który pomimo małych rozmiarów (1 mm długości) ma podobną liczbę genów jak człowiek (ok. 20 000) oraz podobnie zróżnicowane typy komórek. Stanowi więc doskonały organizm modelowy w badaniach nad ekspresją genów oraz ich regulacji. W latach 80 ubiegłego wieku obaj badacze zajmowali się mutantami C. elegans o nazwach lin-4 i lin-14, które wykazywały pewne defekty budowy ciała. Odkryli, że powoduje je mutacja w genie lin-14. Gen ten koduje czynnik transkrypcyjny odpowiedzialny za rozluźnianie chromatyny, czyli sposobu, w jaki DNA jest zorganizowane w jądrze komórkowym. Produkcja białka lin-4 była jednak w tajemniczy sposób regulowana przez produkt genu lin-14, który nie kodował żadnego białka. Jego sekwencja odpowiadała jedynie małemu fragmentowi RNA. Okazało się, że ten mały fragment RNA ma sekwencję komplementarną do mRNA kodującego białko lin-4 i jest w stanie zahamować produkcję tego białka (Ryc. 2). Opisali to zjawisko w artykułach opublikowanych w tym samym numerze prestiżowego czasopisma Cell w 1993 r. Było to coś całkowicie nowego w naukach przyrodniczych i może właśnie dlatego publikacje te nie zwróciły początkowo niczyjej uwagi (czyli, jak się pisze teraz w recenzjach doktoratów i habilitacji, ich cytowalność była słaba).

Ryc. 2. Role genów lin-4 (matryca dla mikroRNA) i lin-149 (koduje białko) w rozwoju C. elegans. Gen lin-14 koduje białko związane z organizacją chromatyny. Gen lin-4 koduje małą cząsteczkę RNA, która jest częściowo komplementarna do mRNA kodującego białko lin-14. Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

Wszystko zmieniło się w r. 2000, kiedy zespół Ruvkuna opisał inną małą cząsteczkę RNA o nazwie let-7, która również hamuje ekspresję genów kodujących białka związane z modelowaniem chromatyny. Co ważne, homologi (czyli odpowiedniki) tego genu znaleziono u wszystkich przebadanych gatunków, w tym u człowieka (Ryc. 3). Znaczyło to, że ten rodzaj regulacji ekspresji genów nie jest wyłączną cechą C. elegans, ale występuje u większości organizmów. Ten artykuł spotkał się z wielkim zainteresowaniem. W krótkim czasie odkryto kilkaset rodzajów cząsteczek RNA o takich samych właściwościach, które nazwano mikroRNA. Okazało się, że geny, w których sekwencje są zapisane, są obecne w genomach większości znanych organizmów. Jedną z niewielu grup, u której ich nie ma, są żebropławy (Ctenophora). Ostatnio było o nich głośno z powodu znalezienia u nich jedynego w swoim rodzaju układu nerwowego.

Ryc. 3.  Geny lin-4 i lin-7 w różnych organizmach. Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

Interferencja RNA

Dobrze, a co z interferencją RNA, opisaną u C. elegans przez Andrew Fire and Craiga Mello w 1989 r., za którą dostali Nagrodę Nobla w 2006 r.? Przedmiotem ich badań był gen unc-22 kodujący białko wpływające na strukturę mięśni tych nicieni, a tym samym na ich zdolność do poruszania się. Wstrzyknięcie krótkich jednoniciowych fragmentów RNA komplementarnych do sekwencji tego genu do gonad nicieni nie miało wpływu na ich zdolność do poruszania się, niezależnie od tego, czy fragmenty te były komplementarne do mRNA (tzw. antysenensowne RNA), czy też miały taką samą sekwencję (sensowne RNA). Jeżeli jednak wstrzyknięto krótki fragment dwuniciowego RNA, nicienie traciły zdolność do sprawnego poruszania, co objawiało się skurczami (Ryc. 4). Miały one miejsce także u potomstwa nicieni, którym wstrzyknięto cząsteczki RNA. Autorzy sugerowali, że taki dwuniciowy fragment RNA może zahamować ekspresję genu, a mechanizm tego zjawiska może być zbliżony do degradacji dwuniciowych fragmentów RNA pochodzących z wirusów. Nazwali go interferencją RNA, a małe cząsteczki RNA, które ten mechanizm uruchamiają – siRNA (short interfering RNA, czyli krótkie interferujące RNA).

Ryc. 4. Jak dwuniciowe DNA wpływa na ekspresję genu u C. elegans (eksperyment Fire and Mello). Według: Nobel Foundation. Licencja CC BY 4.0.

siRNA i mikroRNA

Jak siRNA ma się do mikroRNA? Są to w zasadzie dwa oblicza tego samego zjawiska, czyli regulacji ekspresji genów na poziomie mRNA. Prekursorami obu cząsteczek są dwuniciowe cząsteczki RNA, przy czym siRNA powstaje z dłuższych cząsteczek. siRNA pochodzi raczej spoza komórki (przeważnie z wirusów RNA, ale może też być produktem transpozonu, czyli genu który może przemieszczać się na inną pozycję w genomie tej samej komórki). Sekwencja mikroRNA jest zapisana w genomie komórkowym. Wstępna obróbka tych cząsteczek przebiega jednak w podobny sposób. MikroRNA powstaje w jądrze komórkowym, gdzie jest wstępnie degradowane przez enzym o nazwie Drosha (jego partnerem jest Pasha). Po eksporcie z jądra do cytoplazmy przez białko o nazwie eksportyna 5, mikroRNA ulega degradacji przez enzym o nazwie Dicer (po angielsku: kostkarka do lodu) na krótkie dwuniciowe fragmenty. Podobny mechanizm zachodzi w przypadku siRNA, z tym że ono pojawia się od razu w cytoplazmie (np. w wyniku wstrzyknięcia). Następnie kompleks białek o nazwie RISC (RNA-induced silencing complex, kompleks wyciszający indukowany przez RNA) we współpracy z białkiem Argonaut usuwa jedną z nici RNA. Pozostaje tylko nić komplementarna do docelowego mRNA. W przypadku siRNA komplementarność jest 100-procentowa i takie fragmenty mRNA są degradowane przez nukleazy swoiste wobec dwuniciowego RNA. Jeżeli komplementarność nie jest jednak stuprocentowa (a przeważnie taką właściwość mają cząsteczki mikroRNA), to taki dwuniciowy fragment RNA hamuje translację uniemożliwiając rybosomowi przesuwanie się po nici mRNA (Ryc. 5).

Ryc. 5. Mechanizm działania siRNA i mikroRNA. RISC: kompleks wyciszający indukowany przez RNA, AGO: białko Argonaut. Według: Lam J.K.W. et al., Mol. Ther. Nucl. Acid 2015, 4:e252. Licencja CC BY 4.0.

Do czego służą siRNA i mikroRNA w komórce? siRNA to głównie obrona przed obcym RNA, przede wszystkim wirusowym. MikroRNA to przede wszystkim regulator ekspresji genów. Mechanizm ich działania jest jednak podobny i opiera się na wykorzystaniu tych samych enzymów.

Podobieństwa i różnice między mikroRNA i siRNA pokazałem w poniższej tabeli.

Tak więc różnica między mikroRNA i siRNA jest niewielka i w zasadzie dotyczy tylko podobieństwa sekwencji między małym RNA i fragmentem mRNA. Zarówno mikroRNA, jak i siRNA to małe cząsteczki RNA wykazujące podobną (mikroRNA) lub identyczną (siRNA) sekwencję wobec sekwencji mRNA (a więc i genów), których ekspresję mają hamować. Dlatego siRNA może hamować ekspresję tylko jednego genu, a mikroRNA wielu (nawet 100). Oba rodzaje cząsteczek mogą wywoływać zjawisko interferencji RNA. Można więc powiedzieć, że Fire i Mello odkryli zjawisko interferencji RNA, a Ambros i Ravkun (na 6 lat przed nimi) cząsteczki RNA, które mogą to zjawisko wywoływać. Co ciekawe, Fire i Mello w swojej publikacji z 1989 r. nie powołali się na prace Ambrosa i Ravkuna, mimo że pracowali na tym samym organizmie (C. elegans).

Czy interferencja RNA może być podstawą terapii?

Odkrycie zjawiska interferencji RNA wzbudziło wielkie nadzieje na otrzymanie nowych leków opartych na tym mechanizmie, a firmy farmaceutyczne zainwestowały duże środki w badania nad siRNA. Okazało się jednak, że nie jest to wcale takie proste. Pierwszym i zasadniczym problemem jest dostarczenie RNA do komórki. Cząsteczki RNA są nietrwałe, ponieważ łatwo ulegają degradacje przez wszechobecne RNAzy, czyli enzymy degradujące RNA. Nie można zatem po prostu zrobić zastrzyku z RNA: potrzebny jest specjalny system dostarczający jego cząsteczki do komórek. Ponadto, obce RNA może też spowodować uruchomienie odpowiedzi odpornościowej, podobnie jak to ma miejsce w przypadku infekcji wirusowych (a także szczepionek zawierających mRNA, jak np. szczepionka na COVID-19). Zauważono też, że większość RNA dostarczonego do organizmu trafia do wątroby, tak więc terapia chorób wątroby za pomocą siRNA wydaje się mieć największe szanse powodzenia. Istnieje już kilka leków opartych o technologię siRNA, które wykazują dużą skuteczność w terapiach rzadkich chorób genetycznych. Jedną z nich jest rodzinna polineuropatia amyloidowa, znana też jako choroba Corino de Andrade. Jej przyczyną są mutacje w genie TTR, który koduje transtyretinę. Białko to transportuje hormony tyroksynę (T4) z tarczycy (gdzie powstaje) do wątroby. Mutacja powoduje, że białko to tworzy agregaty, które gromadzą się w neuronach powodując nieodwracalne uszkodzenie tkanki nerwowej. Objawy (bóle, mrowienie, drętwienie kończyn, a z czasem utrata koordynacji ruchów i paraliż) pojawiają się w wieku 20-40 lat, a pacjenci umierają średnio 10 lat później. Zatwierdzony w 2018 r. lek o nazwie patisiran (Onpattro) to siRNA komplementarne wobec genu TTR, podawane dożylnie w postaci nanocząstek lipidowych. Ok. 1000 ludzi na całym świecie dotkniętych tą chorobą poddano leczeniu i u większości objawy ustąpiły.

Innym lekiem opartym o technologię siRNA jest Givlaari (givosiran), który w 2019 r. został zatwierdzony w leczeniu porfirii. Choroba ta polega na gromadzeniu się porfiryny, cyklicznej cząsteczki będącej prekursorem hemu. Lek ten obniża ekspresję genu ALAS1, który koduje syntazę kwasu δ-aminolewulinowego. Nadmierna produkcja tego enzymu jest przyczyną choroby.

Ciekawym zastosowaniem technologii siRNA jest Fitusiran, obecnie w trzeciej fazie badań klinicznych. Jest to małe dwuniciowe RNA o sekwencji komplementarnej do genu SERPINC1, który koduje antytrombinę. Białko to jest inhibitorem krzepnięcia, a więc obniżenie jego poziomu polepsza parametry krzepnięcia u osób chorych na hemofilię. Jest więc nadzieja, że chorzy na tę chorobę nie będą musieli wstrzykiwać sobie czynników krzepnięcia, tak jak ma to miejsce teraz.

Jest jeszcze kilka innych zastosowań technologii siRNA w medycynie, ale na razie liczba ta nie jest imponująca. Dlaczego? O ile samo hamowanie genów za pomocą siRNA jest dość proste, to dostarczanie cząsteczek siRNA do organizmu łączy się z wieloma problemami (które wymieniłem). Ale skoro szczepionki mRNA przeciw wirusowi COVID-19 okazały się takim sukcesem, to może i technologia siRNA się rozwinie?

mikroRNA w terapii celowanej

Uważa się, że ludzki genom może zawierać nawet 2600 genów kodujących mikroRNA, z czego dobrze poznanych jest ok. 500. Uważa się, że mogą one kontrolować ekspresję nawet 60% genów, tak więc mutacja w jednym genie kodującym mikroRNA może spowodować, że ekspresja wielu genów ulegnie zmianie. Związki miedzy mikroRNA i kontrolowanymi przez nie genami nie są jednak jeszcze dobrze poznane. Wiadomo np., że mutacje w genie kodującym mikroRNA-96 (miR-96) mogą być przyczyną dziedzicznej głuchoty, a mutacje w miR-184 – dziedzicznej zaćmy. Teoretycznie więc „poprawa” działania tych mikroRNA mogłaby służyć jako terapia w leczeniu tych chorób. Badania w tym kierunku są prowadzone, ale największe nadzieje wiążą się z leczeniem chorób nowotworowych, bo w licznych nowotworach mikroRNA nie działa we właściwy sposób. Takie cząsteczki mikroRNA, których powstaje zbyt dużo lub zbyt mało, mogą wpływać na ekspresję genów kodujących białka związane z nowotworzeniem. Nazywane onkomirami (oncomirs), mogą tę ekspresję hamować lub przyspieszać. Schemat ich działania pokazałem na Ryc. 6, a swoistość poszczególnych mikroRNA na Ryc. 7.

Ryc. 6. Jak mikroRNA może wpływać na cechy nowotworów. Według: Menon A. et al., Int. J. Mol. Sci. 2022, 23:11502. Licencja CC BY 4.0.

Ryc. 7. Wpływ niektórych mikroRNA na powstawanie nowotworów. Według: Menon A. et al., Int. J. Mol. Sci. 2022, 23:11502. Licencja CC BY 4.0.

Można sobie wyobrazić, że wpływając na syntezę mikroRNA będzie można zahamować rozwój nowotworu, a nawet zupełnie go unieszkodliwić. Niestety, mamy tu ten problem, co w przypadku siRNA. Obecnie ma miejsce wiele prób klinicznych leków opartych o mikroRNA, ale żadna z nich jak dotąd nie zakończyła się sukcesem. Przyczyny są te same: problemy z dostarczeniem RNA do komórek, reakcje obronne organizmu, albo brak wystarczającego zahamowania ekspresji danego genu.

Podsumowanie

Laureaci Nagród Nobla z lat 2006 i 2024 odkryli w zasadzie to samo zjawisko: krótkie cząsteczki RNA wpływają na aktywność mRNA, hamując tym samym ekspresję genu. Jest jeden warunek: sekwencja takiej krótkiej cząsteczki RNA musi być taka sama, jak sekwencja mRNA (albo bardzo podobna). Tworzy się wtedy dwuniciowe RNA, które ulega degradacji przez specjalne enzymy o których pisałem.

A skąd biorą się te krótkie cząsteczki RNA? Mogą być zapisane w genomie i działać jako „regulatory” ekspresji genów. Nazywamy się wtedy mikroRNA. A mogą też pochodzić spoza komórki, na przykład z wirusów, lub powstawać w wyniku transkrypcji transpozonów. W obu przypadkach, jeżeli sekwencje „krótkiego” i „długiego” RNA (czyli mRNA) są wystarczająco podobne, to powstanie dwuniciowe RNA. I takie RNA ulegnie degradacji.

Praktyczne wykorzystanie tych odkryć w leczeniu chorób jest całkiem możliwe, ale na razie tworzy wiele problemów technicznych. Miejmy nadzieję, że uda się je pokonać.

Literatura dodatkowa

Wywiad z Victorem Ambrosem

https://journals.plos.org/plosgenetics/article?id=10.1371/journal.pgen.1000853

Odkrycie micro RNA

https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90529-Y

https://doi.org/10.1016/0092-8674(93)90530-4

Odkrycie siRNA

https://www.nature.com/articles/35888

Podobieństwa i różnice między siRNA i mikroRNA

https://doi.org/10.1038/mtna.2015.23

Rola mikroRNA w rozwoju nowotworów

https://www.termedia.pl/Role-of-microRNA-in-pathogenesis-diagnostics-and-therapy-of-cancer,3,6895,1,1.html

Układ grupowy Duffy, czyli jak uciec przed malarią

Piotr Gąsiorowski w swoim doskonałym cyklu na temat ewolucji napisał o mutacjach ograniczających podatność na malarię, takich jak np. niedokrwistość sierpowatokrwinkowa. Choroba ta jest wynikiem mutacji w genie kodujących hemoglobinę β. Na obszarach endemicznych dla malarii co czwarty człowiek jest nosicielem takiego genu; osoby takie są oporne na malarię. Obecność dwóch alleli z mutacją (w Afryce Zachodniej jest 3% takich osób) powoduje, że krwinki czerwone mają sierpowaty kształt (stąd nazwa), co podwyższa ich skłonność do rozpadu czyli hemolizy. Takie osoby chorują na anemię i mają inne komplikacje zdrowotne. Nosiciele (czyli osoby, którzy mają jeden zmutowany allel) nie mają poważnych dolegliwości, chociaż mogą mieć problemy z nerkami. Można więc powiedzieć, że 3% objawowych homozygot (czyli osób z dwoma zmutowanymi allelami) które chorują na anemię to koszt dostosowania się do środowiska, w którym malaria jest stale obecna.

Piotr Gąsiorowski wspomniał o jeszcze jednej mutacji, która ogranicza podatność na malarię. Jest nią mutacja w genie kodującym antygen Duffy. Czym jest to białko? O tym w poniższym wpisie.

Grupy krwi Duffy a i Duffy b

Jak już pisałem w moim wpisie o grupach krwi, podział krwi na grupy jest metodą klasyfikacji krwinek czerwonych na podstawie obecności na ich powierzchni cząsteczek zwanych antygenami grupowymi, które mogą być wykrywane przez przeciwciała. Przeciwciała takie mogą spowodować aglutynację (czyli zlepianie się) krwinek; jeżeli osobie, która ma takie przeciwciała, przetoczy się krwinki przez nie rozpoznawane, to może nastąpić tzw. ostra reakcja poprzetoczeniowa grożąca śmiercią. Tak więc jeżeli osoby mają tę samą grupę krwi, to znaczy, że na ich krwinkach są takie same antygeny. Antygeny te na podstawie podobieństwa sklasyfikowane są w grupach, nazywanych układami grupowymi. U człowieka znanych jest obecnie (2024 r.) 45 układów grupowych zawierających 362 antygeny. Są wśród nich dobrze znane, jak ABO czy Rh, ale też rzadziej wspominane, jak właśnie Duffy. Antygeny tego układu znajdują się na białku Duffy obecnym na komórkach śródbłonka, który “wyściela” nasze naczynia krwionośne. To samo białko jest też na krwinkach czerwonych. Jaka jest jego rola?

Duffy czyli DARC

Białko Duffy, znane też jako DARC (Duffy Antigen Receptor for Chemokines, czyli receptor dla chemokin z antygenem Duffy) składa się z 336 reszt aminokwasowych. Przebija błonę komórkową 7 razy i ma 3 łańcuchy cukrowe (Ryc. 1). Jest kodowane przez gen ACKR1 znajdujący się na chromosomie 1.

Ryc. 1. Struktura białka Duffy (DARC). DARC składa się z 336 reszt aminokwasowych (oznaczonych jednoliterowymi symbolami). Polimorfizm Fya/Fyb to glicyna (G)/kwas asparaginowy (D) w pozycji 42. Pokazano też polimorfizmy w pozycjach 89 i 100: zastąpienie cysteiny (C) przez argininę (R) oraz alaniny (A) przez treoninę (T) powoduje powstanie fenotypu Fyx. CHO to łańcuchy cukrowe przyłączone do reszt 16, 27 i 33. Zaznaczono też immunogenny fragment białka o nazwie Fy6.

Według: Łukasik E. i Waśniowska K., Post. Hig. Med. Dośw. 2016, 70:143-171. Licencja CC BY 4.0.

Z białkiem Duffy związane są dwa antygeny grupowe o nazwach Duffy a i Duffy b (w skrócie Fya i Fyb). Przyczyną ich powstania jest różnica w sekwencji aminokwasowej: w pozycji 42 łańcucha polipeptydowego jest glicyna w Fya i kwas asparaginowy w  Fyb. Kodowane są przez dwa allele o nazwach FY*A i FY*B. Jeżeli oba allele są obecne, to mamy fenotyp Fy(a+b+). Jeżeli tylko jeden, to Fy(a+b-) lub Fy(a-b+). U osób o fenotypie Fy(a+b+) połowa antygenów Duffy stanowią cząsteczki Fya (czyli z glicyną w pozycji 42), a połowę – Fyb (z kwasem asparaginowym w tej pozycji). W przypadku osób o fenotypie Fy(a+b-) i Fy(a-b+), 100% cząsteczek białka Duffy to odpowiednio białka typu Fya i Fyb.

Około 1% ludzi ma allel FY*B. Koduje on białko, w którym reszty aminokwasowe w pozycjach 89 i 100 są zastąpione innymi resztami (wyjaśnione na Ryc. 1). Obecność dwóch takich alleli powoduje powstanie fenotypu Fyx znanego też jako Fyweak: białko Duffy jest wprawdzie obecne, ale w bardzo niewielkiej ilości.

W przeciwieństwie do grup A/B/O, większość ludzi nie ma przeciwciał rozpoznających antygeny Duffy. Przeciwciała takie mogą być jednak obecne u osób, którym wielokrotnie przetaczano krew. Jest tak dlatego, że nasz układ odpornościowy może rozpoznać antygen Duffy, którego nie mamy, jako coś obcego. Tak właśnie było w przypadku Richarda Duffy (zmarł w 1956 r.), który chorował na hemofilię, miał grupę Fy(a-b+) i w wyniku wielokrotnych transfuzji wytworzył przeciwciała anty-Fya. Od jego nazwiska pochodzi nazwa całego układu grupowego.

Antygen Fya występuje trochę częściej u mieszkańców Azji (ma go 99% mieszkańców), a antygen Fyb  u mieszkańców Europy (83% mieszkańców). W Afryce jest ciekawa sytuacja: większość jej mieszkańców nie ma ani antygenu Fya ani Fyb, co jest wynikiem obecności częstego w Afryce allelu FY*BES (Ryc. 2). Fenotyp taki nazywany jest Fy(a-b-). Jaka jest przyczyna tego zjawiska? Żeby to wyjaśnić, trzeba opisać funkcję pełnioną w naszym organizmie przez białko Duffy.

Ryc. 2. Częstość występowania alleli FY*A, FY*B i FY*BES. Źródło: Howes R.E. et al., Nat. Commun. 2010, 2:266. Licencja CC BY 4.0.

Duffy i chemokiny

Białko Duffy jest receptorem dla chemokin, czyli niewielkich białek (masa cząsteczkowa 8-12 kDa) produkowanych przez komórki naszego organizmu w sytuacjach stresowych. Chemokiny należą do rodziny cytokin, czyli białek regulujących odpowiedź odpornościową organizmu. Ich rola jest szczególna: odpowiadają za chemotaksję, czyli reakcję ruchową na bodźce chemiczne. Większość receptorów dla chemokin to białka związane z białkiem G (pisałem o tym białku we wpisie o receptorach smaku). Po związaniu chemokin białka te przesyłają sygnał do komórki, zmuszając ją do reakcji (w tym przypadku ruchu). Znanych jest ponad 50 rodzajów chemokin i ponad 20 rodzajów receptorów, które je rozpoznają.

Chemokiny wiążą się do receptorów na powierzchni komórek i powodują, że komórki te przemieszczają się w stronę wyższego stężenia chemokin. Ma to wielkie znaczenie dla obrony naszego organizmu przez patogenami. Przykładowo, jeżeli skaleczymy się w rękę, bakterie wnikają do rany i zaczynają się namnażać. W odpowiedzi na obecność bakterii, komórki skóry bądź nabłonka wytwarzają cytokiny, których zadaniem jest informowanie komórek układu odpornościowego (takich jak leukocyty, makrofagi czy granulocyty) o obecności bakterii. Te same komórki wytwarzają też chemokiny, które stanowią coś w rodzaju drogowskazów dla komórek układu odpornościowego. Obecność chemokin to sygnał dla tych komórek, że mają przemieszczać się w kierunku, gdzie chemokiny powstają.

Białko Duffy nie jest typowym receptorem dla chemokin, ponieważ nie tworzy kompleksu z białkiem G i nie może przesyłać sygnału do komórki. Dlatego jest nazywane „receptorem zlewowym” (sink receptor). Jego rola to wiązanie chemokin na powierzchni komórek, co powoduje obniżenie stężenia chemokin w osoczu. Ponieważ krwinki czerwone to najliczniejsze komórki w naszym organizmie (jest ich 29 x 1012 wobec 7 x 1012 wszystkich pozostałych komórek), białko Duffy na czerwonych krwinkach pełni rolę „magazynu” chemokin.

No dobrze, ale co to ma wspólnego z malarią?

Duffy i malaria

Malaria jest zakaźną chorobą przenoszoną przez komary, a powodowaną przez pasożytnicze protisty  z rodzaju Plasmodium (polska nazwa: zarodźce). Człowiek jest żywicielem pośrednim dla pięciu gatunków, z których najgroźniejsze są dwa: Plasmodium falciparum, czyli zarodziec sierpowaty, i Plasmodium vivax, czyli zarodziec ruchliwy. Ok. 260 milionów ludzi zapada rocznie na malarię, z czego ok. 600 000 (w większości dzieci) umiera. Większość zachorowań jest powodowana przez P. vivax, ale 90% ofiar śmiertelnych powoduje P. falciparum.

Zakażenie rozpoczyna się, gdy samica komara przekłuwa skórę, wstrzykując zakaźne formy zarodźca nazywane sporozoitami. Trafiają one do wątroby, gdzie w ciągu kilku dni przekształcają się w merozoity, które infekują krwinki czerwone (Ryc. 3).

Ryc. 3. Cykl życiowy zarodźca malarii. Według: Wikimedia Commons. Licencja CC BY 4.0.

Merozoity namnażając się w krwinkach czerwonych i co 48 godzin rozrywają je, co powoduje ataki gorączki. Podatność na malarię zależy od wielu czynników, w tym m.in. od grup krwi układu ABO. Osoby o grupie krwi O są nieco bardziej oporne na malarię powodowaną przez P. falciparum, dlatego wśród mieszkańców terenów endemicznych dla malarii przeważają osoby z grupą O.

Ale ten mechanizm nie działa w przypadku P. vivax, dlatego ewolucja zastosowała tu inny wybieg. Białko Duffy jest jednym z dwóch receptorów dla merozoitów P. vivax (drugim jest receptor dla transferyny). Znaczy to, że zarodziec może infekować krwinki tylko wtedy, gdy te mają na powierzchni białko Duffy. Jak wspomniałem, istnieją dwie grupy krwi, Fya i Fyb, przy czym antygen Fya jest trochę gorzej rozpoznawany przez merozoity P. vivax. Dlatego osoby o fenotypie Fy(a+b-) są nieco bardziej oporne na zakażenia tym pasożytem. Ale naprawdę dużą oporność wykazują osoby, u których białko Duffy w ogóle nie występuje na powierzchni krwinek. Takie osoby mają fenotyp Fy(a-b-), który jest wynikiem obecności dwóch alleli o nazwie FY*BES. Allele te kodują prawidłowe białko Duffy, które ulega ekspresji wyłącznie na komórkach śródbłonka, natomiast nie ma go na powierzchni krwinek czerwonych. Jest to wynik punktowej mutacji w promotorze tego genu, czyli we fragmencie genu odpowiadającym za uruchomienie  transkrypcji (czyli przepisania sekwencji DNA na mRNA). Zamiana jednego nukleotydu (tyminy na cytozynę) w pozycji -67 sekwencji nukleotydowej allelu FY*B powoduje, że erytroidalny czynnik transkrypcyjny GATA-1, który odpowiada za ekspresję białka Duffy na krwinkach czerwonych oraz ich prekursorach nie może się przyłączyć do odpowiedniego fragmentu w promotorze. Skutkiem jest nieobecność białka Duffy na krwinkach. Allel z taką mutacją to właśnie FY*BES (od ES czyli erythroid silent, nieobecny na komórkach erytroidalnych). Częstość tego allelu to 90% u rdzennych mieszkańców Afryki i 68% u Afro-Amerykanów.

Osoby z dwoma takimi allelami mają prawie 100% oporność na zakażenia P. vivax. Prawie, bo zahamowanie ekspresji białka Duffy na krwinkach czerwonych nie jest jednak całkowite i na niedojrzałych krwinkach występuje niewielka ilość tego białka. Takie młode krwinki mogą być „tylnymi drzwiami”, przez które zarodziec wnika powodując malarię. Ochrona jest jednak znacząca, i prawdopodobnie dlatego częstość fenotypu Fy(a-b-) w Afryce wynosi od 8% w Sudanie do 86% w Botswanie (Ryc. 2). Uważa się, że mutacja powodująca powstanie allelu FY*BES pojawiła się w Afryce ok. 60 000 – 30 000 lat temu i rozpowszechniła się w wyniku presji ze strony zarodźca P. vivax.

Co ciekawe, w Europie Środkowej (Polska, wschodnie Niemcy) kilka do kilkunastu procent ludzi jest nosicielami allelu FY*BES (Ryc. 2). Może to powodować pewne problemy w transfuzjologii, bo osoby o fenotypie Fy(a-b-), którym przetoczy się krwinki Fy-dodatnie, mogą wytworzyć przeciwciała anty-Duffy. Jeszcze do lat 50. ubiegłego wieku malaria powodowana przez P. vivax była obecna w Europie, i być może to spowodowało rozpowszechnienie się tego allelu?

Czy fenotyp Fy(a-b-) to same zalety?

Tak jak w przypadku anemii sierpowatokrwinkowej, fenotyp Fy (a-b-) też może powodować pewne negatywne skutki. Ponieważ białko Duffy stanowi „podręczny magazyn” chemokin, a najwięcej jest go na krwinkach czerwonych, to brak tego białka na krwinkach powoduje podwyższenie stężenia chemokin w osoczu. Może mieć to szczególne znaczenie w przypadku chemokin angiogennych, czyli stymulujących powstawanie nowych naczyń krwionośnych. Guzy nowotworowe potrzebują naczyń krwionośnych do rozwoju, dlatego podwyższone stężenie takich chemokin może stymulować ich rozwój. Przekłada się na wyższą częstość niektórych chorób nowotworowych, zwłaszcza raka prostaty (drugi co do częstości nowotwór u mężczyzn). U Afro-Amerykanów, wśród których większość stanowią osoby o fenotypie Fy(a-b-), zachorowalność na raka prostaty w porównaniu do osób o pochodzeniu europejskim  jest wyższa o ponad 60%, a śmiertelność o 100%.

Literatura dodatkowa

Podstawowe wiadomości o białku Duffy

https://phmd.pl/api/files/view/116837.pdf

Białko Duffy i malaria

http://dx.doi.org/10.5772/intechopen.102014

Fenotyp Duffy-ujemny i zakażenia P. vivax

https://doi.org/10.1016/j.chom.2023.10.019

Czy ewolucja nadal nas dotyczy? Część 1: Prolog

Inne wpisy z tej serii
Część 2: Każdy z nas jest mutantem
Część 3: Dobór naturalny, nasz wróg i przyjaciel
Część 4: Jak żyć z doborem?
Część 5: Inne mechanizmy zmian
Część 6: Podsumowanie

Natura i kultura

Podobnie jak każdy inny gatunek na Ziemi Homo sapiens jest produktem ewolucji biologicznej. Ewolucja działa w następujący sposób: Informacja genetyczna jest replikowana z pokolenia na pokolenie. Od czasu do czasu zdarzają się błędy replikacji – mutacje. Dzięki nim każdy osobnik może być nosicielem unikatowego genomu, a każda populacja odznacza się różnorodnością genetyczną. Ponieważ geny kontrolują rozwój organizmu swojego nosiciela, gatunki składają się z podobnych, ale nieidentycznych osobników. Jeśli skupimy się na jakimś fragmencie genomu, nie musi on wyglądać tak samo w całej populacji; mogą istnieć jego warianty, czyli allele. Te allele, które w jakikolwiek sposób pomagają swoim posiadaczom odnieść sukces reprodukcyjny, są skuteczniej przekazywane kolejnym pokoleniom i stają się częstsze w populacji. Nazywany to doborem naturalnym. Allele mogą jednak stawać się rzadsze lub częstsze z powodów czysto losowych – to zjawisko nazywamy dryfem genetycznym (o którym obszernie pisałem tutaj). Mutacje, dryf genetyczny i dobór naturalny łącznie powodują, że skład puli genetycznej populacji i częstość występowania różnych alleli zmieniają się w czasie: jedne warianty szerzą się i utrwalają, inne znikają. I tak to się toczy od jakichś czterech miliardów lat.

Na nasze życie wpływa jednak – i to bardzo – także ewolucja kulturalna. Przekazując wiedzę i umiejętności między pokoleniami bez udziału genów, poprzez uczenie się i zapamiętywanie w środowisku społecznym, nasz gatunek stworzył sobie język ułatwiający porozumiewanie się i utrwalanie wiedzy oraz zaczął budować otoczkę kultury materialnej i duchowej, wynalazków, technik i idei. Ta otoczka z biegiem tysiącleci stawała się coraz bardziej skomplikowana i wyrafinowana, obejmując coraz większą część ludzkości, aż do powstania cywilizacji globalnej. Zapewnia nam ona komfort: chroni nas w dużym stopniu przed kaprysami środowiska, niebezpieczeństwami naturalnymi, chorobami itp. Stwarza też co prawda nowe zagrożenia. Dostarcza środków zniszczenia w walkach wewnątrzgatunkowych i umożliwia mordowanie się na skalę nieznaną innym zwierzętom. Przekształca środowisko naturalne tak, żeby ułatwić przeżycie Homo sapiens, ale często powoduje degradację i zniszczenie siedlisk naturalnych wraz z lawiną nieprzewidzianych konsekwencji. Na dobre czy na złe, ewolucja kulturalna, która może przyśpieszać niemal bez ograniczeń, ma na nasze życie wpływ oczywisty – nieporównanie silniejszy i bardziej dynamiczny niż ewolucja biologiczna, zachodząca w tempie, które w skali czasu historii ludzkich społeczeństw wydaje się żółwie. Pismo, miasta, państwa, imperia, wojny od plemiennych do światowych, sztuka, filozofia, literatura, wielkie religie, uniwersytety, nauka, technika, medycyna, para, elektryczność, energia atomowa, samochody, samoloty, satelity, komputery, internet – to wszystko ewoluuje zbyt szaleńczo, żeby dobór naturalny miał czas na utrwalenie przystosowań biologicznych do zmieniających się warunków życia.

Czy można więc powiedzieć, że w przypadku człowieka kultura całkowicie przytłoczyła biologię i tylko uczenie się, pomoc społeczeństwa, do którego należymy, oraz osiągnięcia współczesnej techniki i medycyny mają znaczenie dla naszego przetrwania i reprodukcji? W społeczeństwach rozwiniętych średnia oczekiwana długość życia jest większa niż kiedykolwiek w naszej ewolucyjnej historii, a z kolei niskie jest prawdopodobieństwo przedwczesnej śmierci wskutek choroby lub urazu, które jeszcze sto czy dwieście lat temu nie dawałyby pacjentowi szans. Ludzie są w zasadzie chronieni przed śmiercią z głodu czy zimna. Od dawna nie dziesiątkują nas wielkie drapieżniki, za to my dziesiątkujemy ich niedobitki. Czy można w tej sytuacji w ogóle mówić o podleganiu selekcji? Być może mutacje, dryf i dobór stały się na tyle nieistotne, że możemy śmiało powiedzieć: Człowiek uwolnił się od ewolucji biologicznej i sam zarządza swoją egzystencją. Przystosowuje się do warunków, w których żyje, kulturowo, ale już nie genetycznie.

Ryc. 1.

Mamy nawet do dyspozycji narzędzia pozwalające – przynajmniej w teorii – edytować genomy ludzkich zarodków. Może użyjemy ich, żeby ponaprawiać część „błędów natury” (niekorzystnych mutacji krążących w naszej puli genetycznej) albo wyposażyć przyszłe pokolenia w starannie zaprojektowane innowacje genetyczne – takie, których ślamazarna i ślepa ewolucja biologiczna, testująca mutacje metodą prób i błędów, nigdy nie zdążyłaby wypracować? A może w ogóle, jak w marzeniach futurologów transhumanistów, poddamy się cyborgizacji, dążąc ostatecznie do zastąpienia białek, lipidów, kwasów nukleinowych i wszelkiej brei organicznej czymś solidniejszym, trwalszym i bardziej funkcjonalnym? Zadałem to pytanie sztucznej inteligencji (Microsoft Copilot, której serdecznie dziękuję za owocną współpracę). Wyniki widzicie jako ryc. 1 i ryc. 2. Jak widać, sztuczna inteligencja wie mniej więcej tyle, co ludzcy futurolodzy, czyli nic. Nie jest nawet pewna, czy typowymi reprezentantami Homo sapiens za 10 mln lat będą scyborgizowani biali mężczyźni − starzy, ale muskularni, z siwymi brodami (bladawce, jakby to ironicznie określił Stanisław Lem w uniwersum Bajek robotów), mieszkający być może pod wodą, w głębi oceanów − czy raczej też nieco scyborgizowane, ale znacznie młodsze ciemnoskóre kobiety latające w kosmos. Cóż, sztuczna inteligencja karmi się tym, co jej podsuwamy i dostarcza nam stereotypowej projekcji naszych własnych zbiorowych fantazji.

Ryc. 2.

Człowiek jako gatunek mrówkopodobny

Ale wróćmy na chwilę do rzeczywistości. Mówimy, że „człowiek potrafi” to czy tamto. Na przykład człowiek może odbyć podróż na Księżyc i z powrotem. Jesteśmy z tego zbiorowo dumni, ale przecież na Księżycu wylądowało dotąd zaledwie 12 ludzi. Drugie tyle brało udział w załogowych lotach księżycowych, ale nie stanęło na powierzchni Księżyca. Ostatni taki lot miał miejsce – aż wstyd powiedzieć – prawie 52 lata temu. Dwunasty człowiek na Księżycu i jeden z czterech żyjących weteranów programu księżycowego, Harrison Schmitt, ma 89 lat. „Powrót na Księżyc” być może odbędzie się za dwa lata, o ile znów nie zostanie odroczony. Ewentualny załogowy lot na Marsa jest na razie w sferze mglistych planów. Ogromna rzesza ludzi korzysta z telekomunikacji czy geolokalizacji satelitarnej, ale na razie raczej nie grozi nam konieczność adaptowania się do warunków pozaziemskich. Jesteśmy silni kolektywną pomysłowością, zbiorową inteligencją i zorganizowaną współpracą – trochę jak owady społeczne w rodzaju mrówek lub termitów. W pojedynkę, pozbawieni kapitału budowanego przez setki pokoleń, potrafimy niewiele. Największy geniusz, gdyby został rozbitkiem na bezludnej wyspie, sam nie wyprodukuje kółka zębatego ani stalowej śrubki. Nie zbuduje statku kosmicznego, samochodu ani nawet hulajnogi. Jeśli mu się poszczęści, przeżyje jakiś czas jako łowca–zbieracz.

Codziennie rodzi się na Ziemi około 367 tys. dzieci. Liczba tych, u których na etapie życia zarodkowego genetycy dokonali jakichś poprawek, wynosi niemal dokładnie zero, choćby dlatego, że eksperymenty tego typu są uważane za nielegalne niemal we wszystkich krajach, gdzie można by je było przeprowadzić (wyjątkiem jest dopuszczalna w niektórych krajach metoda donacji mitochondrialnej, przeprowadzana – w pojedynczych przypadkach – przy okazji zapłodnienia in vitro). W przypadku DNA jądrowego ryzyko związane z możliwymi niepożądanymi skutkami ingerowania w genom zarodka albo komórek linii płciowej przewyższa oczekiwane korzyści. Eksperymentalne terapie genetyczne różnego typu stosuje się u ludzi, którzy już przyszli na świat; mają one jednak wpływ tylko na wybrane tkanki ciała, a ich skutki nie są dziedziczne. Z punktu widzenia ewolucji są to „cechy nabyte”, które giną razem ze swoim nosicielem.

Główny skutek istnienia kultury i jej wytworów jest taki, że otacza nas zbudowany i utrzymywany dzięki zorganizowanej współpracy całego społeczeństwa „fenotyp rozszerzony” (jakby to ujął Richard Dawkins), chroniący nas dość szczelnie przed większością trudów i niebezpieczeństw, jakich wymagałoby życie bez tej osłony. Czy to wystarcza, żeby zatrzymać ewolucję? Czy z powodu ochrony, jaką daje nam cywilizacja (zwłaszcza naukowo-techniczna), przestaliśmy należeć do świata przyrody?

W kolejnych odcinkach tego cyklu zajmiemy się trzema kwestiami. Po pierwsze: co wynika z faktu, że losowe mutacje nadal zachodzą w naszym DNA mniej więcej w podobnym tempie jak u innych organizmów podobnych do nas? Czy to źle, czy dobrze? Jak sobie z tym radzi cywilizacja? Po drugie: czy faktycznie przestaliśmy podlegać doborowi naturalnemu? Po trzecie: a co z dryfem genetycznym i jego skutkami? A następnie podsumujemy sobie całość.

Zapraszamy zatem do lektury kolejnych wpisów.

Ilustracja w nagłówku

Replikacja DNA, czyli proces stanowiący podstawę ewolucji naturalnej. Grafika: LadyofHats (Mariana Ruiz). Źródło: Wikipedia (domena publiczna).