Kategoria: genetyka

Maminsynki i córeczki wielu tatusiów, czyli o intymnym życiu pszczół miodnych

Małgorzata Cebrat1 Comment

Historia, którą chcę dzisiaj opowiedzieć, powinna mile połechtać próżność polskiego czytelnika, gdyż badania naukowe, które dotyczą tego, w jaki sposób pszczoły stają się tytułowymi maminsynkami albo córeczkami tatusiów, rozpoczyna się w połowie XIX wieku od wielce frapującego odkrycia polskiego naukowca – Jana Dzierżona (rycina 1). Dzierżon znany jest pszczelarzom głównie z tego powodu, że opracował budowę współczesnego ula z ruchomymi ramkami, co znacznie zwiększyło wygodę i wydajność hodowli pszczół i pozyskiwania miodu. Dla naszej opowieści kluczowe jest jednak inne jego odkrycie, a mianowicie, że pszczoły mogą się rozmnażać poprzez dzieworództwo.

Rodzina pszczela i obyczaje godowe pszczół

Zanim powtórnie zdecyduję się użyć tego terminu naukowego, winna jestem Czytelnikowi wyjaśnienie, jakie są obyczaje godowe pszczół i przy okazji zaznaczyć, że wszędzie tam, gdzie piszę o pszczołach bez dodatkowego doprecyzowania gatunku, mam na myśli pszczołę miodną (Apis mellifera L.). Zacznijmy zatem od tego, jak wygląda rodzina pszczela. Otóż składa się ona z wielu tysięcy (w szczycie rozwoju rodziny – kilkudziesięciu tysięcy) niepłodnych samic, których zadaniem jest robienie wszystkiego poza rozmnażaniem, czyli: zbieranie i przetwarzanie pokarmu, budowa i utrzymywanie czystości gniazda (znajdującego się w ulu, dziupli lub jakiejś innej wnęce), opieka nad potomstwem, obrona przed agresorami, utrzymywanie temperatury gniazda… Nic dziwnego, że pszczoły te nazywa się robotnicami – one dosłownie zaharowują się na śmierć: robotnice żyjące wiosną i latem żyją zaledwie około 30 dni, tym krócej, im bardziej intensywnie pracują (swoją drogą – powinno nam to dać trochę do myślenia, prawda?). Robotnice, które zimują, żyją znacznie dłużej (od jesieni do wiosny). Robotnice są samicami. Samicą jest również matka, której zadaniem jest wyłącznie rozmnażanie się. Otoczona troskliwą opieką, matka spędza całe dnie i noce na składaniu jaj, z których później wykluje się jej potomstwo. No i są jeszcze samce – trutnie – w rodzinie jest ich kilkaset i można powiedzieć, że ich jedynym życiowym celem jest próba zapłodnienia jakiejś matki (rycina 2).

Mając już z grubsza scharakteryzowanych członków rodziny, możemy puścić w ruch jej cykl życiowy. Zacznijmy od momentu, kiedy w przyrodzie wszystko idzie po myśli pszczół, czyli jest ciepło, nie pada i pokarmu jest pod dostatkiem – wtedy liczba pszczół w rodzinie gwałtownie przyrasta i przestają się mieścić w gnieździe. Wówczas zapada zbiorowa rodzinna decyzja, że należy wyhodować młode matki. Matki pod względem genetycznym niczym nie różnią się od robotnic, ale larwy przeznaczone do bycia matkami są karmione przez robotnice innym, specjalnym pokarmem. Taka dieta sprawia, że w komórkach rozwijającego się organizmu przyszłej matki uruchamiana jest ekspresja innych niż u robotnic genów (jest to tak zwana kontrola epigenetyczna), co sprawia, że powstaje znacząco inne, morfologicznie i fizjologicznie, ciało. Gdy młode matki są już prawie gotowe do wyklucia, matka rodziny opuszcza gniazdo z częścią robotnic i szuka sobie nowego domu, zostawiając stare gniazdo swojej następczyni. Pierwsze, co robi młoda matka po wykluciu, to eksterminacja wszystkich pozostałych (jeszcze niewyklutych) młodych matek. Dokonawszy tego siostrobójstwa i objąwszy niepodzielną władzę nad rodziną, młoda matka leci w lot godowy aby kopulować z trutniami. Po serii takich lotów matka wraca do gniazda i rozpoczyna składanie jaj, z których wylęgną się członkowie jej rodziny – robotnice i trutnie, a jeżeli warunki pozwolą, to w kolejnym roku – również młode matki.

Przeleciałam, nomen omen, dość szybko przez moment lotu godowego, ale tutaj musimy się zatrzymać, bo to jest chwila krytycznie ważna dla matki, jej rodziny, ba! – dla całej populacji pszczół. Tym, co wzbudza chyba największe emocje, jest fakt, że matka w czasie swoich lotów godowych kopuluje z wieloma trutniami – uważa się, że jest ich od 10 do 20, choć niektóre najnowsze badania genetyczne sugerują, że ich liczba może być znacznie większa (kilkadziesiąt). Ważne jest aby sobie uzmysłowić, że matka w celu kopulacji odlatuje daleko od swojego gniazda, podążając w miejsca (tak zwane trutowiska), w których gromadzą się trutnie z całej okolicy – w ten sposób unika kopulacji z trutniami z własnego gniazda (swoimi braćmi), znacząco zwiększając zróżnicowanie genetyczne swojego potomstwa i unikając chowu wsobnego (kazirodztwa). Ze wszystkich trutni obecnych na trutowisku szansę na kopulację z matką mają te najsprawniejsze – najszybsze i najbardziej wytrwałe. Można zatem powiedzieć, że lot godowy jest metodą selekcji trutni. Kopulacja odbywa się w locie,  trutnie dokonawszy dzieła spadają martwe na ziemię, zaś matka wraca do gniazda. Plemniki przekazane jej przez trutnie przechowywane są przez nią  w specjalnym narządzie zwanym spermateką, w której potrafią przetrwać nawet kilka lat (!) i z której pobierane są w celu zapłodnienia jaja. Albo i nie. I tu właśnie wkracza Jan Dzierżon i jego odkrycie…

Co odkrył Jan Dzierżon

Odkryciem Dzierżona było to, że matki, które nie mogły polecieć w lot godowy, ponieważ miały uszkodzone skrzydełka, również po jakimś czasie zaczynały składać jaja, z których jednak wylęgały się wyłącznie trutnie. Dzierżon doszedł do słusznego wniosku, że generalną zasadą u pszczół jest, iż z niezapłodnionych jaj rozwijają się samce (trutnie), a z zapłodnionych samice (robotnice lub kolejne matki).  Matka, która odbyła loty godowe może zarówno składać zapłodnione jaja (pobierając plemnik ze spermateki), jak i niezapłodnione (nie pobierając plemnika). Przez wiele lat uważano, że to nie może być prawda, ale w końcu, w roku śmierci Dzierżona (1906), na konferencji w Marburgu uznano słuszność jego wniosków. Oczywiście w chwili odkrycia dzieworództwa pszczół (1835 r.) i publikacji tej obserwacji (1845 r.) nikt nie miał pojęcia na temat DNA, chromosomów, dziedziczenia i podziałów komórkowych, więc mechanizm tego procesu pozostał na długi czas całkowicie nieznany. Zresztą i teraz nadużyciem byłoby stwierdzenie, że wiemy wystarczająco dużo, aby cały ten proces zrozumieć, tym niemniej chciałabym Czytelnikowi w tym i w kolejnych wpisach nieco przybliżyć zarówno sam mechanizm odpowiedzialny za powstawanie płci u pszczół, jak i konsekwencje tego bardzo ciekawego sposobu rozmnażania, które, jak się później okazało, nie ogranicza się wyłącznie do pszczół, ale jest charakterystyczne dla owadów błonkoskrzydłych, do których należą między innymi osy i mrówki.

Płeć genetyczna u ludzi

Jak zapewne Czytelnikowi wiadomo, każdy z nas, ludzi, posiada podwójny zestaw informacji genetycznej – poza komórkami rozrodczymi, każda jądrzasta komórka naszego organizmu ma 23 pary chromosomów (fragmentów DNA), a każdą parę tworzą chromosomy, które pod względem sekwencji zapisanych w niej informacji genetycznej są bardzo do siebie podobne (ale nie identyczne!) i które otrzymaliśmy (po jednym) od matki i od ojca. W czasie procesu tworzenia naszych własnych komórek rozrodczych (gamet – komórek jajowych albo plemników), do gamet „przechodzi” losowo po jednym chromosomie z każdej pary. Tak więc nasza gameta zawiera pojedynczy zestaw informacji genetycznej – 23 chromosomy, z czego część pochodzi oryginalnie od naszej matki, a część od naszego ojca. Nasze komórki rozrodcze przenoszą więc informację genetyczną naszych przodków – zarówno ze strony matki jak i ojca. Jeżeli chodzi o płeć biologiczną, to jest ona u nas determinowana konfiguracją 23-ej pary chromosomów: chromosomów X i Y. Jeżeli nowopowstający organizm ma dwa chromosomy X, to powstanie dziewczynka, a jeżeli X i Y – chłopiec (rycina 3) (od tej reguły są wyjątki związane z zaburzeniami struktury chromosomów płciowych, ale na razie zostańmy przy opisie tej najczęściej spotykanej sytuacji).

Determinacja płci u pszczół

U pszczół sytuacja jest znacząco inna, szczególnie jeśli chodzi o samców (rycina 4). Samice pszczół, ponieważ powstają z zapłodnionych jaj, posiadają podwójny zestaw informacji genetycznej (16 par chromosomów) – pochodzących od matki (16 sztuk) i od trutnia (również 16 sztuk). Trutnie natomiast, ponieważ powstają z niezapłodnionych komórek jajowych, posiadają pojedynczy zestaw informacji genetycznej, pochodzący wyłącznie od matki, a konkretnie – z jej gamety. Można zatem śmiało powiedzieć, że trutnie są maminsynkami, gdyż nie mają ojców. I nigdy nie będą mieć synów, bo jeżeli ich plemnik zapłodni komórkę jajową, to powstanie samica. Robotnice zaś mają zarówno matkę jak i ojca, ale ponieważ matka, jak wspominałam, kopulowała z wieloma trutniami, tak naprawdę robotnice w danej rodzinie są córeczkami wielu tatusiów, a bardziej naukowo mówiąc – reprezentują różne linie ojcowskie. Uważa się, że zróżnicowanie linii ojcowskich jest korzystne dla rodziny pszczelej, gdyż powoduje, że w rodzinie znajdują się robotnice o zróżnicowanych „zdolnościach” (cechach), które powodują, że rodzina jako całość jest lepiej przystosowana do zmiennych warunków środowiska, jest bardziej odporna na patogeny itd. (temat ten postaram się poruszyć w innych moich wpisach).

Trutnie – strażnicy jakości informacji genetycznej

I po co to wszystko? Jaka korzyść z takiego sposobu rozmnażania się? Odpowiedź najprawdopodobniej tkwi w tej „pojedynczości” informacji genetycznej trutni. Wyobraźmy sobie wpierw naszą (ludzką) informację genetyczną – mamy podwójny jej zestaw. Jeżeli jakiś konkretny gen leżący na którymś z chromosomów (załóżmy tym od ojca) przestanie pełnić swoją funkcję na skutek zmiany w sekwencji DNA (mutacji), to na ogół druga kopia tego genu, znajdująca się na drugim z chromosomów danej pary (w naszym przykładzie – tym od matki), jest wystarczająca do tego, aby pełnić funkcję w organizmie i nic złego się nie dzieje. Oznacza to jednak, że mutacja ta może być dziedziczona w następnych pokoleniach i od czasu do czasu, gdy spotka się w danym organizmie ze swoim odpowiednikiem (kiedy zarówno gen od matki i od ojca będzie zmutowany) może doprowadzić do poważnych komplikacji, ze śmiercią organizmu włącznie. Można powiedzieć więc, że taka mutacja „wozi się” przez pokolenia i się nieczęsto ujawnia, bo zmutowany chromosom ma swojego prawidłowego partnera, który go maskuje. Wziąwszy to pod uwagę, uważa się, że opisany powyżej sposób rozmnażania się pszczół, w czasie którego powstają osobniki z pojedynczym zestawem informacji genetycznej (trutnie) powoduje, że taki typ mutacji, o ile wystąpi, zostanie natychmiast wyeliminowany, ponieważ trutnie nie mają drugiej kopii genu, która maskowałyby tę zmutowaną. Można zatem powiedzieć, że trutnie są swojego rodzaju testerami jakości informacji genetycznej – jeżeli odziedziczą coś zepsutego od swojej matki, albo coś się u nich zepsuje – zabierają ten błąd do grobu, nie pozwalając na jego przenoszenie na kolejne pokolenia. A ponieważ trutnie całe swoje życie – od komórki jajowej, przez larwę, poczwarkę aż do postaci dorosłej muszą żyć właśnie z tym pojedynczym zestawem informacji genetycznej, możliwości testowania jakości ich informacji genetycznej jest naprawdę dużo i mają szansę być wyłapane mutacje, które upośledzają funkcje organizmu na różnym etapie jego rozwoju i w różnych warunkach.

Trutnie mają złą sławę i przysłowiowo uważane są za nierobów, wręcz pasożytujących na swoich pracowitych siostrach. Pomyślmy jednak o nich z sympatią – nie dość, że są bezpardonowo przed zimą wyrzucane z gniazda i skazywane na śmierć głodową, to jeszcze wygląda na to, że są strażnikami jakości informacji genetycznej, której niedoskonałości przypłacają swoim życiem.

I na tym można byłoby całą opowieść zakończyć, gdyby nie fakt, że kolejne odkrycia ujawniły, że, co prawda rzadko, ale powstają także trutnie, które mają podwójny zestaw informacji genetycznej. A więc w miarę proste wytłumaczenie, że z niezapłodnionego jaja powstaje samiec, a zapłodnionego – samica, choć na ogół prawdziwe, w pewnych wyjątkowych przypadkach nie wyczerpuje istoty problemu. Bo mechanizm determinacji płci u pszczół leży znacznie głębiej… O tym w kolejnej części.

Superameby, czyli złożoność alternatywna

Piotr GąsiorowskiLeave a comment 
Inne wpisy na podobny temat

Organizmy mało znane: Śluzowce
Uwaga! Nadpełzają śluzowce!
Żywe skamieniałości (1): Paździorek starszy niż tyranozaury

Już kilka wpisów poświęciłem śluzowcom, organizmom należącym do grupy zwanej Amoebozoa i stanowiących znaczną część jej składu gatunkowego. Amoebozoa nie są roślinami, zwierzętami ani grzybami. Jeśli spośród wszystkich eukariontów, czyli organizmów posiadających jądra komórkowe, wyłączymy trzy wspomniane wyżej „królestwa”, to pozostaje nam ogromny zbiór rozmaitych organizmów, najczęściej (choć bynajmniej nie zawsze) jednokomórkowych, obejmowanych umownie nazwą protistów (dawniej „pierwotniaków”, a częściowo także „glonów”). Trzeba jednak pamiętać, że w odróżnieniu od monofiletycznych, dobrze zdefiniowanych kladów Metazoa (zwierzęta), Fungi (grzyby) i Archaeplastida (rośliny w szerokim sensie, z uwzględnieniem zielenic, krasnorostów i glaukofitów), protisty stanowią różnorodną zbieraninę wszystkich pozostałych linii rozwojowych eukariontów i nie można ich traktować, jak gdyby były „czwartym królestwem”.

Ryc. 1.

W szkolnych podręcznikach pełzak odmieniec (Amoeba proteus), znany od XVIII w. i popularnie zwany „amebą”, nadal służy jako klasyczny przykład pierwotniaka. Kiedy chodziłem do szkoły, uczono nas, że pełzak należy do typu korzenionóżek. Typ ten już od dawna nie istnieje. Śluzowce, spokrewnione z pełzakami i wraz z nimi włączane dziś do Amoebozoa, były początkowo zaliczane do grzybów na podstawie powierzchownego podobieństwa. Z czasem zaczęto sobie zdawać sprawę z różnic między śluzowcami a grzybami, ale dopiero pod koniec XIX w. poznano szczegółowo cykl życiowy śluzowców, opisano wiele nieznanych wcześniej gatunków i podjęto próby ich klasyfikacji. Zaczęto traktować śluzowce jako „pierwotniaki grzybopodobne”, ale przypominające też zwierzęta. Właściwie dopiero poczynając od lat sześćdziesiątych XX w. taksonomia eukariontów uporządkowała się na tyle, że śluzowce odnalazły swoje właściwe miejsce w obrębie drzewa życia.1

Do śluzowców w najszerszym sensie zalicza się kilka dość różnorodnych gałęzi Amoebozoa, ale skupmy się na śluzowcach właściwych, do których należy wielka grupa Myxogastria i siostrzany wobec niej rodzaj Ceratiomyxa (śluzek). Ich cechą charakterystyczną jest wytwarzanie plazmodium, zwanego też śluźnią (ryc. 1). Plazmodium jest komórczakiem, czyli pojedynczą, ale bardzo dużą komórką zawierającą liczne jądra. W zależności od gatunku śluzowca i wielkości plazmodium liczba jąder może wynosić od kilkudziesięciu do kilku milionów.

Wbrew temu, co można czasem przeczytać w niezbyt fachowych źródłach, plazmodium nie powstaje z połączenia wielu osobnych komórek. Przez część swojego cyklu życiowego śluzowce są jednokomórkowcami jednojądrowymi, zwykle haploidalnymi (o jednym komplecie chromosomów). Rozwijają się one z zarodników jako tzw pływki, poruszające się za pomocą dwu wici, a w środowisku ubogim w wodę przekształcają się w typowe pełzaki (które zresztą mogą się stać na powrót „dwuwiciowcami”). W tym stadium komórki śluzowców mogą ulegać podziałom mitotycznym, tworząc wielkie kolonie. Należą do bardzo pospolitych mikroorganizmów glebowych.

Ryc. 2.

Żeby powstało plazmodium, pełzak diploidalny (zazwyczaj powstający w drodze płciowej jako zygota z połączenia dwóch pełzaków haploidalnych należących do różnych „płci”, czyli typów koniugacyjnych) musi przejść wiele cykli podziałów mitotycznych jądra, którym nie towarzyszy cytokineza (podział cytoplazmy między komórki potomne).2 Rozwijająca się w ten sposób wielojądrowa komórka odżywia się intensywnie, rosnąc szybko i osiągając – jak na amebę – rozmiary gigantyczne (nawet kilkuset centymetrów kwadratowych). Zdolna jest do skomplikowanych reakcji na bodźce środowiskowe. Znane są dobrze imponujące wyczyny śluzowców, np. umiejętność znalezienia i wykorzystania najkrótszej ścieżki w labiryncie. Plazmodium wędruje po podłożu za pomocą ruchomych wypustek (nibynóżek) i aktywnie poszukuje pożywienia, a następnie dogodnej lokalizacji, w której może się usadowić, aby wykonać swoją główną misję: wytworzenie zarodni. I tu śluzowce naprawdę popisują się kreatywnością, wytwarzając najrozmaitsze, często wręcz fantazyjne kształty i struktury produkujące zarodniki. Kilka charakterystycznych typów zarodni pokazują ryc. 2–4.

Ryc. 3.

Genomy śluzowców (wciąż słabo poznane) są różnej wielkości: mieszczą się w zakresie od ok. 20 mln do kilkuset milionów par zasad.3 Ponieważ wszystkie jądra plazmodium mają wspólne pochodzenie, zawarte w nich genomy są bliźniaczymi kopiami genomu zygoty, z której rozwinęła się śluźnia. W przypadku organizmu wielokomórkowego także każda komórka zawiera to samo DNA (z dokładnością do sporadycznych mutacji), ale w rozwijającym się organizmie geny ulegają zróżnicowanej i wybiórczej ekspresji w zależności od tego, gdzie zlokalizowana jest dana komórka. Dzięki precyzyjnej regulacji tego procesu powstają np. różne tkanki, plan budowy ciała i narządy wewnętrzne zwierząt.

Jednak w rozwijającym się plazmodium cytoplazma przepływa kanalikami tworzącymi się wewnątrz komórki, unosząc z sobą jądra – z prędkością, która może przekraczać 1 mm/s. Plazmodium pulsuje rytmicznie, a jego zawartość jest cały czas w ruchu. Pełznąc, plazmodium zmienia kształt, podobnie jak zwykłe ameby. Skąd śluzowiec wie, w którym miejscu ma wyrosnąć koronkowa struktura wytwarzająca i gromadząca zarodniki? Skoro cały jest jedną komórką, nie można określić jego położenia względem innych komórek.

Ryc. 4.

Okazuje się jednak, że śluzowiec radzi sobie w podobny sposób jak prawdziwe wielokomórkowce. Ekspresja genów w jądrach wypełniających całą objętość plazmodium także jest regulowana w zależności od lokalizacji przestrzennej i przebiega inaczej niż na etapie cyklu życiowego, gdy śluzowiec jest jednojądrowym „pierwotniakiem”. Jądra postaci plazmodialnej reagują na lokalne sygnały regulacyjne w różnych regionach śluźni (np. blisko brzegu plazmodium czy też po jego dolnej lub górnej stronie), dlatego metabolizm, produkcja białek, fale synchronizacji podziałów mitotycznych jąder albo decyzja, że w zarodniach na zajść mejoza i wytworzenie zarodników, zachodzą „w trzech wymiarach”. Plazmodium nie jest bezpostaciowym workiem cytoplazmy: wie, gdzie jest góra, a gdzie dół, na jakim podłożu się znajduje, z której strony dociera światło itp., i w zależności od tego wędrujące w jego wnętrzu jądra – maleńkie procesory niosące w sobie instrukcje genetyczne – robią to, co do nich należy w danej części komórki.

Niezależna ewolucja w kierunku złożoności strukturalnej przebiegała na różne sposoby (często konwergentnie, czyli zbieżnie) w różnych grupach organizmów. Istnieją Amoebozoa o cyklu życiowym podobnym do śluzowców właściwych, ale zamiast komórczakowatego plazmodium tworzące skupione „stado” poruszających się w zorganizowany sposób i komunikujących się z sobą odrębnych komórek. Gromadzą się one w odpowiedzi na sygnały feromonowe, a niektóre z nich (zależnie od lokalizacji w obrębie stada) różnicują się i stają się budulcem zarodni. Niezależnie od tych ameb kolonialnych (Dictyostelia) taki sam tryb życia rozwinęły prokarionty – bakterie śluzowe (Myxobacteria). Ewolucja wielokomórkowości u bakterii, różnicowanie się ich komórek w obrębie kolonii i wytwarzanie „owocników” produkujących spory (przetrwalniki) – to fakty, które mogą zaskakiwać, ale równie zaskakująca jest wielojądrowość śluzowców jako rozwiązanie alternatywne wobec wielokomórkowości – ze skutkiem najwyraźniej bardzo udanym, skoro śluzowce od co najmniej stu milionów lat nie widzą potrzeby, żeby coś zmieniać w swojej budowie i stylu życia.

Przypisy

1) Dawne intuicje nie były do końca mylne, bo Amoebozoa wraz ze zwierzętami, grzybami i kilkoma innymi, drobniejszymi grupami tworzą wspólnie wielki klad Amorphea, jedną z „supergrup”, na które podzieliły się eukarionty na początku swojej ewolucji.
2) Liczba typów koniugacyjnych u śluzowców może sięgać kilkuset, choć nie dorównują pod tym względem niektórym grzybom (podstawczakom). Trzeba dodać, że cykle życiowe wielu śluzowców mogą przebiegać w sposób nietypowy, z pominięciem etapów rozmnażania płciowego; pomijam tu jednak tego rodzaju komplikacje.
3) Są zatem znacznie mniejsze niż genom człowieka, zawierający ok. 3 mld par zasad. Jednak rozmiar to nie wszystko. U modelowego, dobrze zbadanego gatunku śluzowca Physarum polycephalum (maworka wielokształtnego), którego genom ma długość ok. 200 mln par zasad, szacowana liczba genów kodujących białka wynosi ok. 29 tys., czyli o połowę więcej niż u człowieka!

Opis ilustracji
(Autor: Piotr Gąsiorowski 2023, CC BY-SA 4.0).

Ryc. 1: (a) Młode plazmodium, (b) dojrzewające plazmodium, (c) pączkujące zarodnie i (d) grupa dojrzewających zarodni żałobni białonóżki (Diachea leucopodia).
Ryc. 2: Zarodnie paździorka (Stemonitis sp., prawdopodobnie S. fusca). Resztki pierwotnego plazmodium widoczne są jako błoniasta leżnia otaczająca grupy zarodni. Kolor zarodni tego gatunku zależy od ich wieku. Kiedy zaczynają wyrastać z plazmodium, są jaskrawo białe. W ciągu mniej więcj jednej doby, dojrzewając, stają się kolejno różowe, bordowe i wreszcie czekoladowe.
Ryc. 3: Nibyzrosłozarodnia (pseudoaethalium) gmatwianki krowieńca (Lindbladia tubulina). Liczne zarodnie tworzą ciasno skupioną masę, ale zachowują indywidualne ściany.
Ryc. 4: Zrosłozarodnia (aethalium) wykwitu piankowatego (Fuligo septica). Zarodnie okryte są wspólną ścianą i nie są widoczne jako osobne struktury. Błoniaste resztki plazmodium znaczą kierunek, z którego „superameba” przypełzła w miejsce, gdzie wytworzyła strukturę zarodnionośną.

Literatura

Badanie lokalnej aktywności transkrypcyjnej jąder w różnych regionach plazmodium: Gerber et al. 2022. https://elifesciences.org/articles/69745.

Co zawdzięczamy wirusom (6): nowy obraz ewolucji życia

Piotr GąsiorowskiLeave a comment 
Inne wpisy z tej serii:
Co zawdzięczamy wirusom (1): kilka pytań fundamentalnych
Co zawdzięczamy wirusom (2): bakteriofagi, czyli wielopoziomowa gra strategiczna
Co zawdzięczamy wirusom (3): podstępni włamywacze, czyli wirusy w stylu retro
Co zawdzięczamy wirusom (4): dygresja o naszym genomie i ukrytych w nim wirusach
Co zawdzięczamy wirusom (5): nie ma tego złego, co by na dobre nie wyszło

Jeszcze raz: czym są wirusy?

Badania ostatnich kilkudziesięciu lat, zwłaszcza wskutek postępu, jaki się dokonał  w genetyce i biologii molekularnej, gruntownie zmieniły naszą wiedzę o wirusach (zresztą podobnie jak o organizmach komórkowych). Dość powiedzieć, że o ile pół wieku temu wirusy dzielono umownie na dwie rodziny, dziś klasyfikacja ICTV (Międzynarodowego Komitetu Taksonomii Wirusów) wyróżnia 6 domen, 10 królestw, 72 rzędy i 264 rodziny (nie wspominając o wielu wirusach o niepewnym stanowisku systematycznym), przy czym liczby te rosną dosłownie z miesiąca na miesiąc i jest jasne, że wirusy dotąd zbadane i opisane stanowią tylko ułamek ich rzeczywistej różnorodności.

Badania nad genomiką porównawczą wirusów i nad ich związkami z poszczególnymi grupami organizmów komórkowych rzuciły wreszcie trochę światła na zagadkę pochodzenia wirusów. Opisane w poprzedniej części cyklu innowacje ewolucyjne, które zawdzięczamy wirusom, bledną wobec hipotez, wg których np. DNA i mechanizmy jego replikacji zostały „wynalezione” przez wirusy w czasach, gdy życie komórkowe stawiało pierwsze kroki i było wciąż oparte na RNA jako nośniku informacji.1 Wirusy mogły także odegrać znaczącą rolę w ewolucji eukariontów, uczestnicząc w procesach, które doprowadziły do utworzenia jądra komórkowego. Są to koncepcje spekulatywne, ale traktowane poważnie.

W odróżnieniu od organizmów komórkowych wirusy nie mają uniwersalnego zestawu genów/białek, których homologi (formy sprowadzalne do wspólnego przodka) występowałyby we wszystkich liniach ewolucyjnych. Białka tworzące kapsydy wirusów wyewoluowały niezależnie co najmniej dwa razy, a między różnymi liniami wirusów często zachodziła wymiana poszczególnych modułów genomu, dlatego ich genealogia niekoniecznie układa się w eleganckie drzewo rodowe, ale miejscami przypomina splątany krzak. Znaczna część genów wirusowych nie ma w ogóle odpowiedników wśród organizmów komórkowych. Jeśli wirusy są reliktami świata starszego niż LUCA (ostatni wspólny przodek współczesnych organizmów komórkowych), to mogą przechowywać zakonserwowaną genetycznie informację o wczesnych odgałęzieniach „drzewa życia”, które nie pozostawiły po sobie komórkowych potomków.

Wirusy olbrzymie

Dwadzieścia lat temu (w roku 2003) opisano pierwszego z wirusów-gigantów, zaliczanych obecnie do klasy Megaviricetes. Wraz z dwiema innymi grupami (do których należy np. ASFV, czyli wirus afrykańskiego pomoru świń, oraz cała rodzina wirusów ospy) tworzą one typ Nucleocytoviricota, czyli wirusów olbrzymich w szerszym sensie. Tym gigantem był Mimivirus, pasożytujący na pełzakach Acanthamoeba polyphaga. Kapsyd mimiwirusa ma średnicę ok. 0,5 μm, a wraz z otaczającymi go białkowymi włókienkami – 0,75 μm. Oznacza to, że jest on widoczny pod mikroskopem optycznym. Z tego powodu, choć mimiwirusy obserwowano już we wczesnych latach dziewięćdziesiątych XX w., przez ponad dziesięć lat lat brano je omyłkowo za bakterie.

Mimiwirusy są nie tylko duże, ale i skomplikowane. Mają genomy o długości ponad miliona par zasad, zawierające około tysiąca genów (a nawet ok. 10% DNA „śmieciowego”, co wśród wirusów jest ewenementem). Niektóre z tych genów zawierają introny i są poddawane splicingowi, jak typowe geny eukariontów. Po co wirusowi tak ogromna liczba genów? Oprócz genów normalnie występujących u wirusów (kodujących białka strukturalne i kilka enzymów, bez których wirus nie mógłby się powielać) mimiwirus zawiera też mnóstwo takich, których spodziewano by się wyłącznie u organizmów komórkowych. Kodują one np. swoiste enzymy katalizujące wiązanie poszczególnych aminokwasów z transportowym RNA (syntazy aminoacylo-tRNA), czynniki translacyjne, własną unikatową rodzinę cytochromów P450 (jedną z ich licznych funkcji jest unieszkodliwianie obcych toksyn), białka odpowiedzialne za metabolizm aminokwasów, lipidów i polisacharydów, syntezę nukleotydów czy naprawę DNA. Są tam także geny niekodujące, służące do produkcji tRNA. Funkcja większości genów mimiwirusów pozostaje nieznana i być może jeszcze nas zaskoczy.

Oznacza to, że mimiwirus nie zdaje się na to, co znajdzie u gospodarza, ale włamuje się z całą ciężarówką własnych narzędzi i zakłada fabrykę swoich kopii, funkcjonującą jak organellum komórki żywicielskiej. Ponieważ taką fabrykę mogą wziąć na cel wirofagi (wirusy pasożytujące na wirusach olbrzymich), mimiwirus posiada też zapisane w DNA środki obrony przed wirofagami. Z punktu widzenia koncepcji wirocelu, o której wspominałem na początku tego cyklu, wewnątrzkomórkowe stadium życia mimiwirusa trudno określić inaczej niż jako organizm – i to dość skomplikowany.

Ryc. 1.

Mimivirus wyglądał początkowo na wybryk natury, ale poszukiwania innych wirusów tego typu szybko doprowadziły do podobnych odkryć. Obecnie (1 września 2023 r.) Nucleocytoviricota dzielone są roboczo na 11 rodzin i 54 rodzaje, ale jest oczywiste, że rzeczywista liczba jednostek taksonomicznych w randze rodzin powinna raczej iść w dziesiątki, a rodzajów –  w setki (i dotyczy to wirusów już zaobserwowanych, a nie tych jeszcze nieodkrytych).2 Nie wszyskie są naprawdę olbrzymie, ale rekordziści budzą respekt: mogą mieć kapsydy o długości 1,5 μm (czyli niewiele mniejsze niż komórka bakterii z modelowego gatunku Escherichia coli) albo genomy o długości ok. 2,5 mln par zasad. Zestaw genów odkryty  mimiwirusa nie jest dziwacznym wyjątkiem, ale powszechną cechą wirusów olbrzymich.

O ile początkowo znajdowano gigantyczne wirusy w dość specyficznych środowiskach, obecnie wydaje się, że można na nie natrafić właściwie wszędzie. Wskazują na to badania metagenomowe, identyfikujące ich DNA w rozmaitych środowiskach. Aby potwierdzić ich obecność za pomocą danych morfologicznych, ostatnio zespół mikrobiologów zbadał pod transmisyjnym mikroskopem elektronowym próbki gleby leśnej pobranej z amerykańskiej stacji badań ekologicznych Harvard Forest w stanie Massachussetts, należącej do Uniwersytetu Harvarda. Poszukiwano tworów, które mogłyby być wirionami wirusów olbrzymich. Znaleziono ich setki o najrozmaitszych kształtach, w tym wiele „klasycznych” kapsydów dwudziestościennych, albo pozbawionych dodatków, albo otoczonych włókienkami (jak u mimiwirusa), zaopatrzonych w symetrycznie rozłożone wypustki lub rurkowate ogonki (jak u rodzaju Tupanvirus). Niektóre mają kształt owalny (jak u rodzajów Pandoravirus czy Pithovirus). Sam wygląd nie stanowi niezbitego dowodu, że mamy do czynienia z wirusami, potrzebne są zatem dalsze badania, ale właściwie trudno sobie wyobrazić, czym innym mogłyby być te wirusopodobne cząstki.3

Ryc. 2.

Wirusy olbrzymie z rzędu Algavirales występują szczególnie obficie w środowiskach wodnych, gdzie infekują planktoniczne eukarionty należące do rozmaitych gałęzi drzewa życia. Jednym z nich jest Chlorovirus, którego liczne gatunki pasożytują na jednokomórkowych zielenicach. Jest go tyle, że dla niektórych orzęsków (np. pantofelków, czyli Paramecium) stanowi istotny składnik pokarmowy. Orzęski z rodzaju Halteria są jedynymi znanymi eukariontami, które potrafią przeżyć na diecie złożonej z samych chlorowirusów. W warunkach laboratoryjnych jeden osobnik halterii konsumuje od 10 tys. do miliona wirusów dziennie. Szacuje się, że w niewielkim stawie populacja halterii pożera 1014–1016 (od stu bilionów do stu bilardów) wirusów olbrzymich na dobę, przy czym sama stanowi pokarm dla zooplanktonu. Ten łańcuch pokarmowy  ma zauważalny wpływ na obieg węgla, azotu i fosforu w tym ekosystemie.

Epilog  z morałem

Wirusy nie mają własnego stadium komórkowego, choć można powiedzieć, że są „porywaczami ciał”, uprowadzającymi i wykorzystującymi do własnych celów fenotypy organizmów komórkowych. Nie produkują rybosomów (które są wspólnym dziedzictwem wszystkich potonków LUCA), a zatem nie syntetyzują białek samodzielnie. Do przenoszenia swojego materiału genetycznego używają kapsydów, których białka tworzy gospodarz na podstawie specyfikacji dostarczonej przez wirusa. Czasem pożyczają geny gospodarza, ale częściej same są źródłem innowacji genetycznych i przenoszą do świata organizmów komórkowych geny i białka wcześniej w nim nieznane. Gdziekolwiek występuje życie komórkowe, tam można znaleźć także wirusy, nie ma więc przed nimi ucieczki. Na szczęście jest to naturalny stan rzeczy od około czterech miliardów lat, więc poza epizodami drastycznego naruszenia równowagi wirus–gospodarz koegzystujemy sobie dość harmonijnie.

Tradycyjne wyobrażenie o wirusach jako prymitywnych „czynnikach zakaźnych, których nie zatrzymują porcelanowe sączki bakteryjne”, należących bardziej do świata chemii niż biologii4, jest dziś kompletnie anachroniczne. Wirusy są tak ważnymi uczestnikami życia na Ziemi i jego ewolucji, że akademickie pytanie, czy same wirusy są żywe, w ogóle przestaje mieć znaczenie. I to także zawdzięczamy wirusom: zrozumienie, że definicja życia jest nieostra i że na jego ewolucję trzeba patrzeć z szerokiej perspektywy, w której historia wirusów nie jest przypisem, ale jednym z centralnych rozdziałów.

Przypisy

1) Wirusy mogą oczywiście używać zarówno RNA, jak i DNA w wersji jednoniciowej lub dwuniciowej, ale odwrotna transkrypcja, czyli przepisywanie informacji genetycznej z RNA na  DNA jest specjalnością retrowirusów (w szerokim sensie).
2) Patrz https://ictv.global/taxonomy (domena Varidnaviria, królestwo Bamfordvirae, typ Nucleocytoviricota).
3) Artykuł opisujący te obserwacja dostępny jest w postaci preprintu dopiero oczekującego na recenzje i publikacje: https://www.biorxiv.org/content/10.1101/2023.06.30.546935v1.full
4) Wendell M. Stanley otrzymał w roku 1946 r. nagrodę Nobla nie z „fizjologii i medycyny”, ale z chemii za „wyizolowanie wirusa mozaiki tytoniu w czystej formie krystalicznej”.

Lektura dodatkowa

Embarras de richesse, czyli problemy z klasyfikacją wirusów i potrzeba reformy: https://journals.plos.org/plosbiology/article?id=10.1371/journal.pbio.3001922
Czego dowiadujemy się o ewolucji od wirusów: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3755228/
Wirusy olbrzymie: https://www.sciencenews.org/article/meet-giants-among-viruses
Wirusy olbrzymie a eukarionty i jądro komórkowe: https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1369527416300017, https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0168170220310753
Wirusożerne orzęski: https://www.sciencenews.org/article/first-microbes-eat-virus-virovory-algae

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Rekonstrukcja drzewa filogenetycznego wybranych wirusów olbrzymich (Nucleocytoviricota). Według obecnego stanu wiedzy drzewo to jest o wiele większe i bardziej skomplikowane. Jest ono zakorzenione w czasach poprzedzająych pojawienie się ostatniego wspólnego przodka organizmów komórkowych (LUCA). Źródło: Colson et al. 2011 (licencja CC BY 3.0).
Ryc. 2. Niektóre z typów morfologicznych potencjalnych wirionów wirusów olbrzymich z Harvard Forest. Źródło: Fischer et al. 2023 (bioRχiv preprint, licencja CC BY-NC-ND 4.0).