Jak zostać królową, czyli do czego służy obżarstwo (u pszczół)

(ku pokrzepieniu serc wszystkich, którzy uważają, że przesadzili z pączkami w Tłusty Czwartek)

Swoje dwa pierwsze wpisy poświęciłam na wyjaśnienie mechanizmu odpowiedzialnego za to, czy pszczoła (Apis mellifera) staje się samicą albo samcem: działa on na zasadzie molekularnego przełącznika, którym jest gen csd – jeżeli pszczoły posiadają dwie różne odmiany (allele) genu csd – stają się samicami, jeżeli posiadają tylko jedną kopię csd (lub dwie kopie, ale tej samej odmiany) – stają się samcami. Choć mechanizm determinacji płci na poziomie molekularnym składa się z wielu następujących po sobie procesów, to jednak na jego początku znajdują się białka csd, których działanie skierowuje rozwijającą się pszczołę na jedną z dwóch ścieżek. Przypadki pośrednie, to znaczy pszczoły z nieokreśloną płcią, są praktycznie nieznane. Determinacja płci u pszczół działa więc zero-jedynkowo, a ponadto jest ściśle uzależniona od czynników genetycznych.

Kasty u pszczół

Równie fascynujące, ale dużo bardziej skomplikowane są mechanizmy, które są odpowiedzialne za to, do jakiej kasty należeć będzie samica – czy stanie się matką (królową), czy też robotnicą. Kastowość jest zjawiskiem stosunkowo popularnym u owadów społecznych – polega ono na tym, że z osobników identycznych genetycznie mogą się rozwinąć osobniki, które będą znacząco się różnić, tworząc wyodrębnione grupy (kasty) spełniające w rodzinie odrębne funkcje. O ile więc niewłaściwe jest uważanie trutni za odrębną kastę (bo różnią się one genetycznie od samic), o tyle robotnice i królowe należą faktycznie do osobnych kast. Różnice pomiędzy królowymi i robotnicami widać już na pierwszy rzut oka. Robotnice są znacznie mniejsze (ok. 1,5x), co szczególnie jest widoczne w przypadku odwłoka, który u robotnic jest zakryty skrzydełkami, natomiast u matek skrzydełka sięgają jedynie do mniej więcej połowy jego długości.

Robotnica (u góry) i matka (na dole). Fot. Alex Wild

Odwłok królowej skrywa w swoim wnętrzu cały układ rozrodczy, a najwięcej miejsca zajmują ogromne jajniki (zbudowane ze średnio 160 rurek jajnikowych), zdolne do produkowania nawet kilku tysięcy komórek jajowych dziennie. Jajniki robotnic są bardzo silnie zredukowane i zawierają zaledwie kilka rurek jajnikowych. Robotnice nie posiadają też rozwiniętej spermateki, czyli narządu, w którym gromadzone są plemniki trutni przekazywane matce w czasie lotu godowego, oraz gruczołów wydzielających substancje utrzymujące plemniki przy życiu.

Jajniki królowej (po lewej) i robotnic (po prawej). Duncan i wsp., 2016

Królowe z kolei nie posiadają cech, które są potrzebne robotnicom do spełniania roli jako karmicielek, zbieraczek i obrończyń. Robotnice posiadają więc dłuższe języczki, którymi pobierają nektar, mają lepiej rozwinięte oczy i więcej receptorów na swoich czułkach. Posiadają koszyczki na zewnętrznej powierzchni goleni tylnej pary odnóży, służące do przenoszenia pyłku. Robotnice mają także gruczoły wydzielające wosk, który służy do budowy plastra. Matki i robotnice różnią się jakością wydzielanych przez siebie feromonów i obecnością gruczołów ich produkujących.

Bardzo ciekawą różnicą pomiędzy matkami a robotnicami jest budowa żądła – robotnice posiadają żądła przypominające harpun, co powoduje, że żądło pozostaje w skórze atakowanego zwierzęcia i stanowi skuteczny środek obrony przez drapieżnikami (kto został choć raz pożądlony przez pszczoły, ten wie, jak bardzo skuteczny), niestety jednak powodujący, że robotnice giną w czasie obrony swojej rodziny. Do zadań matek nie należy obrona gniazda, co jednak nie znaczy, że są pacyfistkami – żądło służy im do pojedynkowania się z innymi matkami w obrębie tej samej rodziny i do zabijania jeszcze niewyklutych matek. Ten proces siostrobójstwa następuje wtedy, gdy rodzina wychowuje nową matkę, która ma zastąpić starą i niesprawną matkę lub objąć panowanie w rodzinie, z której stara matka odleciała (w czasie rojenia się). Jako gwarancję, że wszystko pójdzie jak należy, pszczoły wychowują więcej młodych matek, które później brutalnie rozstrzygają między sobą, która „obejmie panowanie” w rodzinie. Zrozumiałe jest zatem, że żądła matek nie mogą pozostawać w ciele ich ofiar, bo wtedy one same stały by się ofiarą swojego zwycięstwa – ich żądła nie posiadają zatem zadziorków, a zdolność do produkcji jadu spada wraz z wiekiem matki, bo po młodzieńczym okresie pojedynkowania się jad przestaje być królowej potrzebny. Również skład jadu różni się pomiędzy robotnicami a matką – ten u robotnic jest bardziej przystosowany do zrobienia jak największej szkody kręgowcom, zaś matki – innym pszczołom.

Walka matek (http://beespoke.info/2016/06/25/fighting-queen-bees)

Co jedzą królowe i robotnice

Przywiązałam tak nieproporcjonalnie dużą wagę do żądła i jadu nie bez powodu; po pierwsze, ten przykład obrazuje wiele poziomów, na których różnią się matki i robotnice (zachowanie, anatomia i skład wydzielanych substancji), co z kolei silnie sugeruje, jak złożone muszą być procesy, które są w stanie sterować rozwojem tak różnych od siebie pszczół z identycznych genetycznie osobników. Po drugie zaś – pojedynkowanie się młodych matek kieruje naszą uwagę na wspomniany już proces ich powstawania. A to właśnie różnice w sposobach wychowywania larw przez rodzinę decydują o tym, czy pszczoła będzie królową lub robotnicą.

Ze złożonego przez królową zapłodnionego jaja po trzech dniach wykluwa się larwa, która przez pierwsze trzy dni swojego życia karmiona jest mleczkiem pszczelim wydzielanym przez pszczoły-karmicielki. Po tym czasie larwy przeznaczone do bycia matkami są w dalszym ciągu karmione tym „królewskim” mleczkiem (RJ, od angielskiego „royal jelly”), natomiast larwy przyszłych robotnic karmione mleczkiem „robotnic” (WJ, ang. „worker jelly”) z dodatkiem miodu i pyłku roślin. O ile przyszłe królowe są karmione bardzo obficie i wręcz pływają w przeznaczonym dla nich pokarmie, to robotnice są karmione tylko wystarczająco.

Po lewej: larwy przyszłych królowych skąpane w mleczku pszczelim (https://www.wired.com/2015/09/royal-jelly-isnt-makes-queen-bee-queen-bee/; Waugsberg CC). Po prawej: poczwarka królowej wewnątrz swojej komórki, Ryszard Maleszka BY CC)

Jeśli to właśnie pokarm jest tym, co różnicuje kasty, to oczywistym staje się pytanie, czym różnią się od siebie pokarmy robotnic i królowych. Najbardziej zauważalną różnicą jest znacznie większa ilość cukrów w RJ – dowiedziono eksperymentalnie, że suplementacja pokarmu robotnic zwiększoną ilością cukru sprawia, że zaczynają rozwijać się matki. Czyżby to było aż takie proste? Chyba nie. Badacze skłaniają się ku hipotezie, że zwiększona podaż cukru zachęca larwy do jedzenia, innymi słowy: cukier działałby jako stymulant apetytu dla niejadków, powodując, że larwy przy okazji jadłyby większą ilość innych substancji zawartych w podawanym im pokarmie, a które miałyby sprawić, że rozwijałyby się królowe. Czym są te tajemnicze inne substancje? Nie do końca wiadomo – kilka lat temu zostało ogłoszone, że jest to jedno z białek zawartych w dużych ilościach w RJ – białko MRJP1 (ang. major royal jelly protein 1, „royalactin”), ale autorzy kolejnej pracy stwierdzili, że to nieprawda i że nie da się powtórzyć eksperymentów wskazujących na decydującą rolę MRJP1. W odpowiedzi autor pierwszej pracy udowadniał, że autorzy drugiej pracy użyli innych warunków hodowli pszczół… Spór trwa.

Robotnice rozwijają się w małych (drugi plan), zaś matki w dużych, zwisających komórkach. Fot. Rusty Barlow (https://www.honeybeesuite.com/is-it-a-swarm-cell-or-a-supersedure-cell)

Jacy są inni kandydaci? Jest nim na przykład 10-HDA (kwas 10-hydroksy-2-decenowy), którego jest znacznie więcej w RJ. 10-HDA jest substancją hamującą enzym zwany deacetylazą histonów. Acetylacja histonów, białek wokół których oplecione są nici DNA, powoduje, że DNA jest bardziej „rozluźnione”, co wpływa pozytywnie na możliwość ekspresji genów. Deacetylaza, odrywając reszty acetylowe od histonów, powoduje, że DNA jest ciaśniej nawinięte i niedostępne. 10-HDA zatem, hamując deacetylazę, powoduje zwiększoną dostępność DNA i podwyższa poziom ekspresji genów.

Inni badacze zwrócili zaś uwagę, że może za bardzo zafiksowaliśmy się na poszukiwaniu składników pokarmu charakterystycznych dla pokarmu matek, a nie zwracamy wystarczająco dużo uwagi na elementy pokarmu robotnic. Takim składnikiem mogłyby być tzw. mikroRNA, czyli krótkie RNA pełniące funkcje regulujące (na ogół negatywnie) ekspresję genów. Okazało się, że w pokarmie robotnic jest zdecydowanie więcej mikroRNA i że sztuczna suplementacja pokarmu królowej tymi mikro-RNA powoduje zwrot rozwoju w kierunku robotnic. Innym ciekawym odkryciem było pokazanie, że jeden ze składników pyłku kwiatowego, który dodawany jest wyłącznie do pokarmu robotnic, a którym jest kwas p-kumarowy, działa jako środek chemicznej kastracji. Dodanie kwasu p-kumarowego do pokarmu matek powodowało niedorozwój jajników.

Jeden, by wszystkimi rządzić?

Jest bardzo prawdopodobne (a w zasadzie już pewne), że poszukiwanie pojedynczego czynnika różnicującego pokarm matek i robotnic jest skazane na niepowodzenie. Jest to stwierdzenie dość uzasadnione – zakłada bowiem, że gdyby pojedynczy czynnik zarządzał wszystkim, to determinacja kasty byłaby zero-jedynkowa, czyli np. gdyby ten czynnik był obecny, to larwa rozwijałaby się jako królowa, a jeśli nie – jako robotnica, analogicznie do sytuacji przy determinacji płci (dwa różne allele csd – samica, brak różnych – samiec). Tymczasem w determinacji kast takiej zero-jedynkowej sytuacji nie obserwujemy, szczególnie w warunkach laboratoryjnej hodowli larw. Istnieją bowiem osobniki form pośrednich, to znaczy robotnice z pewnymi cechami matek, albo matki z cechami robotnic. Granica pomiędzy tymi pośrednimi formami jest płynna. Istnienie form pośrednich wskazuje na to, że sygnały pochodzące ze środowiska są złożone i równie złożone są szlaki sygnałowe od nich zależne, zaś odpowiednia siła tych sygnałów prowadzi do zróżnicowanej ekspresji genów odpowiedzialnej za różne ścieżki rozwojowe. Sprawia to, że o odtworzenie idealnych warunków jest praktycznie niemożliwe w warunkach laboratoryjnych. Formy pośrednie pomiędzy matkami i robotnicami pojawiają się również naturalnie – dzieje się tak wtedy, gdy larwa nieco starsza niż trzydniowa zaczyna być na nowo karmiona pokarmem matek. Taka sytuacja ma miejsce np. wtedy, gdy z powodu jakiejś katastrofy ginie panująca w rodzinie królowa (np. nie wraca z lotu godowego), a w gnieździe brakuje młodszych larw. Powstaje więc awaryjna matka, znacznie mniejsza niż te „prawdziwe”, która nie posiada również pełnego potencjału rozrodczego. Jej zadaniem jest przeprowadzenie rodziny przez kryzys – składa zatem zapłodnione jaja, z których robotnice wychowują pełnowartościowe matki. Po spełnieniu tej funkcji awaryjna matka zostaje zlikwidowana (muszę przyznać, że wchodząc w szczegóły życia rodzinnego pszczół przestaję być ich bezkrytyczną fanką).

Wchodząc głębiej

Wiedząc, że to składniki pokarmu pełnią kluczową rolę w decyzji o wyborze kasty, ale nie wiedząc, które konkretnie czynniki to są, można teraz (z pewnym zakłopotaniem) spróbować wejść głębiej w molekularne mechanizmy tych procesów, czyli spróbować zdefiniować, które szlaki sygnałowe są regulowane przez te enigmatyczne czynniki zewnętrzne. To, co już wiadomo na pewno, to fakt, że do tych szlaków sygnałowych należą IIS (ang. insulin and insulin-like signalling) i TOR (ang. target of rapamycin) – zaburzenie tych szlaków sygnałowych (obu lub z osobna) poprzez obniżenie (za pomocą techniki RNAi) poziomu ekspresji genów kodujących ich elementy, prowadziło do zahamowania powstawania matek i skierowanie rozwoju w stronę robotnic. Szlaki te ze sobą współdziałają prowadząc do powstawania hormonu juwenilnego – podawanie hormonu juwenilnego larwom z uszkodzonymi szlakami IIS i TOR przywracało rozwój matek. Funkcją hormonu juwenilnego jest zaś zapobieganie programowanej śmierci (apoptozy) komórek tworzących jajniki. Hormon juwenilny kontroluje również uwalnianie eksdysteroidów, które biorą udział zarówno w rozwoju jajników, ale na dalszym etapie rozwoju – również mózgu.

Chciałabym jeszcze raz podkreślić, że osobniki poszczególnych kast mogą się rozwinąć z osobników identycznych genetycznie. O ile więc podłoże genetyczne jest takie samo, omawiane procesy muszą wpływać na bardzo zróżnicowaną ekspresję genów – to jest włączanie lub wyłączanie aktywności poszczególnych genów. Informacja o tym, który gen ma być włączony lub wyłączony musi być dziedziczona przez kolejne pokolenia komórek rozwijającej się pszczoły. Taką kontrolę ekspresji genów nazywa się kontrolą epigenetyczną, a podstawowymi mechanizmami za nią stojącymi są wspomniana już modyfikacja histonów i metylacja DNA. Modyfikacja chemiczna histonów reguluje poziom upakowania DNA i jego dostępność, natomiast metylacja DNA powoduje wiązanie się białek do konkretnych regionów DNA, co również wpływa na dostępność tych fragmentów dla maszynerii odpowiedzialnej za ich ekspresję. I faktycznie, oba te procesy wpływają na decyzję królowa vs. robotnica – np. sztuczne obniżenie poziomu jednego z enzymów odpowiedzialnych za metylację DNA powodowało pojawienie się cech charakterystycznych dla matek.

Podsumowanie (sfrustrowane)

Kończąc opisywanie mechanizmów odpowiedzialnych za determinację kast u pszczół, zdałam sobie sprawę ze swojej ogromnej frustracji – badania toczą się od ponad stu lat, a zrozumienie tego procesu wciąż nam umyka. Niby wiadomo, że jest on zależny od pokarmu, ale nie wiadomo, jakich konkretnie jego składników. Cukier jest ważny, ale chyba tylko jako bodziec stymulujący jedzenie. Mamy też zawarte w diecie mikroRNA i kwasy tłuszczowe – oba te czynniki wpływają bezpośrednio na ekspresję genów z pominięciem szlaków sygnałowych. Mamy chemiczną kastrację spowodowaną zjadaniem pyłku. Szlaki sygnałowe uruchamiane bodźcami zewnętrznymi – nawet wiemy jakie, ale może być ich więcej. Mechanizmy epigenetyczne – oczywiście, ale jak to się dzieje, że kontrolują tylko wybrane geny? Setki genów zmieniających ekspresję i to w dodatku na różnych etapach rozwoju larwy. Skład pokarmu zmieniający się w zależności od etapu rozwoju. Jeżeli odnosicie wrażenie, że jest to trochę nieskładna wyliczanka czynników, to jest to dobre wrażenie – mamy sporo elementów układanki, ale ułożenie z nich spójnego, pięknego obrazu zajmie jeszcze sporo czasu.

Idę coś zjeść, z dużą ilością cukru (chyba mi jeszcze zostały pączki z lukrem).

Może stanę się królową?

Wniebowzięci – historia ssaków latających. Część 4: Zdrów jak nietoperz

Inne wpisy z tej serii
Część 1: Spadochroniarze i lotniarze
Część 2: Nietoperze, czyli lotnictwo dla zaawansowanych
Część 3: Planeta nietoperzy
Część 5: Nietoperze i język

Poligon eksperymentalny ewolucji

Nietoperze wyróżniają się liczbą i skalą innowacji w tych dziedzinach, w których ewolucja innych ssaków na ogół przebiegała leniwie. Już ponad 50 mln lat temu rozwinęły system precyzyjnej echolokacji ultradźwiękowej (choć potem niektóre go utraciły). Nawet jeżeli już wcześniej wydawały piski, nasłuchując echa, to dla zwierzątka krzątającego się w koronie drzewa albo w skalnej rozpadlinie orientacja w ciemnościach ma całkiem inną wagę niż dla lotnika, który w ułamku sekundy musi wykryć i ominąć twardą przeszkodę albo uniknąć hamowania nosem o skałę. Najmniejsze udoskonalenie emisji, odbierania lub analizy dźwięków może mieć poważne znaczenie adaptacyjne i szybko szerzyć się w populacji pod presją doboru naturalnego. Nietoperze echolokujące posiadają wrodzoną, utrwaloną genetycznie znajomość wzorca prędkości dźwięku1, ale muszą brać poprawki na zmiany tej prędkości w zależności od temperatury i wilgotności powietrza. To już nie jest wiedza wrodzona, tylko coś, czego każdy młody nietoperz musi się empirycznie nauczyć.

Badacze genetycznych podstaw ludzkich zdolności językowych przywiązują dużą wagę do faktu, że np. gen FOXP2, o którym wiadomo, że ma jakiś wpływ na prawidłowy rozwój mowy i przetwarzania języka, ewoluował „szybko” u wspólnych przodków rodzaju Homo, bo ludzie, podobnie jak neandertalczycy i denisowianie, mają dwie „unikatowo ludzkie” mutacje w jego sekwencji, podczas gdy np. u szympansa nic się nie zmieniło w porównaniu z przodkiem wszystkich łożyskowców.2 Ich gen FOXP2 nadal koduje dokładnie to samo białko, co u pradawnych łożyskowców 100 mln lat temu. Ta zachowawczość wynika stąd, że FOXP2 to ważny czynnik regulacyjny, kontrolujący aktywność genów kodujących inne białka. Jakakolwiek zmiana jego sekwencji aminokwasowej (i w konsekwencji struktury) może z wysokim prawdopodobieństwem zaburzyć prawidłowy rozwój organizmu. Dobór naturalny sprzyja utrzymaniu tego, co się sprawdziło w przeszłości, chyba że ewentualny zysk przystosowawczy z jakiejś mutacji stanowi „wygraną na loterii”, która, choćby mało prawdopodobna, będzie od razu silnie premiowana. Tak bywa u zwierząt, których przeżycie i sukces reprodukcyjny zależą od sprawności wokalnej i słuchowej, bo FOXP2 wpływa m.in. na liczbę neuronów i połączeń synaptycznych w obszarach centralnego układu nerwowego istotnych dla posługiwania się dźwiękami.

Człowiek nosi zatem w eksonie 7 genu FOXP2 dwie mutacje, z których jest dumny, bo odróżniają go od szympansa. U waleni utrwaliły się za to aż trzy mutacje wspólne dla całej grupy. To jednak niewiele w porównaniu z przyśpieszoną ewolucją FOXP2 u nietoperzy. W nadrodzinie Rhinolopoidea w eksonie 7 występuje jedna z dwu mutacji „unikatowo ludzkich”, ale szczególną zmienność u nietoperzy wykazuje ekson 17, który u niemal wszystkich innych ssaków – także u człowieka – zachował się bez zmian w pierwotnej postaci. U rodzaju Nycteris (bruzdonos) z podrzędu mroczkokształtnych odkryto w obrębie eksonu 17 aż osiem mutacji niesynonimicznych (powodujących zmianę kodowanego aminokwasu). Mutacje te nie zostały odziedziczone po ostatnim wspólnym przodku nietoperzy, tylko utrwalały się niezależnie u przodków poszczególnych rodzin. Co dały nietoperzom? Dokładnie nie wiadomo (bruzdonosy akurat nie są jakimiś mistrzami echolokacji), ale jeśli tak jesteśmy dumni z własnych dwu mutacji, powinniśmy na widok nietoperzy zdejmować czapki z głów. Warto pamiętać, że wokalizacje nietoperzy służą też do rozpoznawania się i porozumiewania. Co najmniej u kilku gatunków ten „język” jest przekazywany kulturowo, a nie biologicznie: młode nietoperze uczą się go w środowisku rodzinno-społecznym.

Ryc. 1.

Gabinet osobliwości genetycznych

Podobnie jak u części naczelnych (wyraków i małp, łącznie z człowiekiem) i amerykańskich gryzoni z grupy Caviomorpha widzimy u nietoperzy tendencję do utraty genu GULO, kodującego enzym potrzebny do biosyntezy witaminy C. Gen jest uszkodzony w mniejszym stopniu niż u małp i u niektórych nietoperzy pozostaje w pewnym stopniu funkcjonalny. Mutacje upośledzajęce działanie GULO i zamieniające go w pseudogen zachodziły wielokrotnie niezależnie w różnych liniach rozwojowych nietoperzy. Świadczą one o tym, że dieta nietoperzy jest dostatecznie bogata w witaminę C, a zatem organizm nie musi sam jej produkować i gen GULO staje się zbędny.

Nietoperze, podobnie jak ptaki, mają intensywny metabolizm, a to z kolei oznacza tendencję do zmniejszania rozmiarów komórek. Im mniejsza komórka, tym wyższy stosunek powierzchni do objętości, co pomaga zwiększyć wymianę gazową między komórką a jej otoczeniem. Ale mniejsza komórka to także mniejsze jądro, a zatem pojawia się nacisk w kierunku zmniejszenia ilości DNA zawartego w chromosomach. Tym zwykle tłumaczy się fakt, że genomy nietoperzy są średnio mniejsze niż u pozostałych ssaków. Genom ludzki składa się z 3–3,1 mld par zasad – dość typowo jak na przeciętnego ssaka. Genomy nietoperzy zawierają średnio niewiele ponad 2 mld par zasad. Nie różnią się jednak od genomu ludzkiego, jeśli chodzi o liczbę genów kodujących białka lub produkujących funkcjonalne RNA. Odchudzenie dotyczy DNA nie pełniącego istotnych funkcji („śmieciowego”). Mimo eliminacji części zbędnego DNA nietoperze zachowują wielką liczbę sekwencji pochodzących od zasymilowanych wirusów endogennych. Z kolei retrotranspozony typu LINE-1, występujące powszechnie u ssaków w wielkiej liczbie kopii, a u człowieka stanowiące ok. 17% składu genomu, zanikły całkiem u rudawkowatych. Dlatego mają one średnio jeszcze mniejsze genomy niż inne nietoperze.

Latanie to zdrowie i długie życie

Do wyjątkowych cech nietoperzy (gdy porównamy je z innymi ssakami) należą między innymi: długowieczność, żelazne zdrowie i niemal nadprzyrodzona umiejętność radzenia sobie z wirusami. Wampir zwyczajny (Desmodus rotundus), ważący 25–40 g, osiąga w stanie dzikim wiek ok. 15 lat, natomiast dwukrotnie cięższy gronostaj rzadko dożywa 5–6 lat. Maleńki nocek syberyjski (Myotis sibiricus) ma masę ciała 4–8 g. Ssak tej wielkości (porównywalny z badylarką lub ryjówką aksamitną) nie powinien żyć dłużej niż od półtora do dwóch lat. Tymczasem nocki syberyjskie dożywają nierzadko 20–30 lat, a jeden rekordzista został zaobserwowany żywy 41 lat po zaobrączkowaniu. Inne gatunki z rodzaju Myotis też żyją przynajmniej ok. 7 lat. Ich telomery (powtarzalne sekwencje DNA na końcach chromosomów, zabezpieczające je przed uszkodzeniem) nie skracają się z wiekiem przy podziałach komórkowych. U niektórych gatunków enzym telomeraza uaktywnia się podczas hibernacji, odbudowując skrócone telomery (tak jakby tkanki nietoperza ulegały odmłodzeniu podczas snu). Mogłoby się z tym wiązać ryzyko niekontrolowanych podziałów komórkowych, czyli rozwoju nowotworów, ale organizm nietoperza potrafi sobie z tym radzić dzięki mechanizmom naprawy DNA starannie nadzorującym każdy podział. Nietoperze zatem nie tylko żyją długo, ale nie wykazują typowych oznak starzenia się, a nowotwory są u nich rzadsze niż u innych ssaków (wyjąwszy kilka innych dziwów natury, jak np. golce, osobliwe gryzonie afrykańskie, również długowieczne i odporne na nowotwory).

Nietoperz zużywa mnóstwo energii, latając, a oszczędza ją podczas przerw w lataniu (inaczej groziłaby mu śmierć głodowa). Serce lecącego nietoperza może wykonywać 800–1000 uderzeń na minutę, a w spoczynku do 200–300 uderzeń na minutę (pi razy oko, bo różnice między gatunkami mogą być znaczne). Gatunki hibernujące mogą obniżać tętno do kilkunastu lub kilkudziesięciu uderzeń na minutę przy jednoczesnym spadku temperatury ciała. Gwałtowne przyśpieszenie przemiany materii podczas lotu mogłoby spowodować stres oksydacyjny i zatrucie produktami własnego metabolizmu, które uszkadzają DNA i mogą prowokować gwałtowną reakcję układu odpornościowego. Każy lot groziłby nietoperzowi stanem zapalnym przechodzącym w niebezpieczną burzę cytokinową. Nietoperze jednak niewiele sobie z tego robią. Mają wydajne mitochondria, produkujące jak najmniej reaktywnych form tlenu; ich komórki szybko rozpoznają i rozkładają uszkodzone białka i organella w procesie autofagii; podczas wysiłku wzrasta produkcja białek szoku cieplnego chroniących przed skutkami stresu – itd. Przede wszystkim zaś nietoperze rozwinęły wiele strategii pozwalających trzymać w ryzach odpowiedź immunologiczną na czynniki stresowe i hamujących procesy zapalne. Ich układ odpornościowy działa flegmatycznie i z chłodną rozwagą.

Nietoperze a wirusy

Wiąże się z tym kolejna supermoc nietoperzy: ich stosunki z wirusami. Nietoperze to ssaki wysoce społeczne. Jak widzieliśmy, już 50 mln lat temu ich protoplaści tworzyli duże kolonie w jaskiniach. Dziś w takich koloniach mogą żyć tysiące, a czasem nawet setki tysięcy osobników. Liczebność największej znanej kolonii, którą w sezonie letnim tworzą moloski brazylijskie (Tadarida brasiliensis) w jaskini Bracken pod San Antonio w Teksasie, szacowana jest na 15–20 mln osobników tłoczących się w liczbie nawet po 3000 na metr kwadratowy. Łatwo sobie wyobrazić, jakim rajem dla wirusów jest masa potencjalnych ofiar zgromadzona w ograniczonej przestrzeni, gdzie każda możliwa droga zakażenia stoi otworem. Gromadnie żyjące nietoperze powinny być łatwym łupem dla każdego sprytnego wirusa; powinny je zatem dziesiątkować nieustanne epidemie. Dzięki skrzydłom nietoperze są wysoce mobilne i mogą łatwo przenosić wirusy na znaczne odległości.

Tymczasem mechanizmy, które pomagają nietoperzom radzić sobie ze wzmożeniem własnego metabolizmu podczas lotu, sprawdzają się także w przypadku infekcji wirusowych. Układ odpornościowy nietoperza nie stawia na nogi wszystkich naraz sił obronnych, żeby za wszelką cenę wyeliminować agresora. Reaguje bez paniki, systematycznie ograniczając szkody, ale jednocześnie nie dopuszczając do rozwoju stanów zapalnych. Wygląda na to, że nietoperze znalazły złoty środek – idealną równowagę między walką z wirusami a tolerowaniem ich obecności.

Nietoperze nie są niezniszczalne. Nie są bardziej niż my odporne na zwykłe bakterie, zarodźce czy grzyby pasożytnicze. Ale z pasożytami wewnątrzkomórkowymi, jak wirusy (zarówno DNA i RNA), radzą sobie doskonale. Już pierwsze linie obrony, czyli wrodzona odporność nieswoista, wstępne rozpoznawanie patogenów i hamowanie procesów translacji w przypadku wykrycia „włamania”, są znacznie bardziej wyrafinowane niż u innych ssaków (takich jak Homo sapiens). Jak wiele innych cech nietoperzy, ukształtowały się pod brutalnie skutecznym naciskiem selekcyjnym dziesiątki milionów lat temu. Bogata „biblioteka” wirusów endogennych wbudowanych w genom nietoperzy – a wiele z nich jest praktycznie nieuszkodzonych i teoretycznie zdolnych do reaktywacji – nie tylko dokumentuje różnorodność infekcji, z jakimi stykały się nietoperze w trakcie swojej ewolucji, ale zapewne ma też znaczenie dla funkcjonowania układu odpornościowego. Wirusy wszelkiego typu były dla nietoperzy „od zawsze” zagrożeniem numer jeden. Ludzie (i to nie wszyscy) żyją w wielkich zatłoczonych miastach od kilkuset, góra kilku tysięcy lat. Nietoperze – co najmniej dziesięć tysięcy razy dłużej.

Ryc. 2.

Wchodzenie w szczegóły (zresztą zbadane tylko częściowo i u nielicznych gatunków), wymagałoby osobnej serii wpisów i byłoby zadaniem dla eksperta w dziedzinie immunologii. Tu musi wystarczyć konstatacja, że nietoperze przechodzą praktycznie bezobjawowo, bez bólu, gorączki czy osłabienia, większość infekcji wirusowych, nie wyłączając tych, które dla innych ssaków są zabójcze i przed którymi drżą ludzie. Wystarczy wspomnieć filowirusy Ebola i Marburg wywołujące gorączki krwotoczne, wirusa Nipah powodujący śpiączkę i zapalenie mózgu (śmiertelność u ludzi rzędu 50–75%), czy wreszcie różne warianty koronawirusów typu SARS (w tym naszego dobrego znajomego z ostatnich lat, SARS-CoV-2).

Skąd przyjdzie następna pandemia?

Kolonie nietoperzy są ogromnym i wciąż słabo zbadanym naturalnym laboratorium ewolucji wirusów. Od czasu do czasu nieuniknione jest przerzucenie się wirusa krążącego wśród nietoperzy na innego gospodarza. Tak na przykład przodek wirusów wścieklizny (Lyssavirus) uległ rekombinacji, która pozwoliła mu zakażać przedstawicieli drapieżnych (Carnivora) i w ten sposób poszerzyć sobie znacznie swój naturalny rezerwuar. Człowiek bywa raczej przypadkową ofiarą wirusa wścieklizny, ale w wielu innych przypadkach to populacja naszego gatunku staje się głównym środowiskiem skolonizowanym przez wirusa.

Jest to szczególnie prawdopodobne tam, gdzie splata się kilka czynników. Pierwszym jest obecność licznych gatunków nietoperzy tworzących gigantyczne kolonie. Tam można się spodziewać rezerwuarów dużej liczby szybko ewoluujących wirusów. Drugi czynnik – to kontakt nietoperzy ze zwierzętami domowymi albo nawet bezpośrednio z ludźmi. Nietoperze w głębi lasu deszczowego albo w jaskini oddalonej od ludzkich siedzib raczej nie stwarzają wirusom okazji do wypłynięcia na szerokie wody. Ludzie jednak wycinają lasy, aby zrobić miejsce swoim osiedlom i uprawom. W konsekwencji część miejscowej fauny wymiera. Przeżywają te gatunki, które potrafią się przystosować do obecności człowieka. Mogą to być dzikie ptaki, drobne ssaki drapieżne, gryzonie i niewielkie małpy, które już nieraz dzieliły się z człowiekiem swoimi patogenami, ale mogą to być równie dobrze nietoperze. Zakamarki domów mieszkalnych i budynków gospodarskich mogą im w zupełności odpowiadać. Ewentualny trzeci czynnik to kontakt człowieka z pośrednikami – gatunkami, na które wirusy pochodzące od nietoperzy już zdążyły się przenieść. Sprzyja temu np. handel dzikimi zwierzętami na tzw. mokrych targach, często niekontrolowany, nierozerwalnie powiązany z kłusownictwem i przemytem.

Ryc. 3.

Choć zatem wybuch epidemii spowodowanej przez przeniesienie się wirusa z nietoperzy na ludzi może się zdarzyć wszędzie, gdzie żyją nietoperze i gdzie gęstość populacji ludzkiej jest duża, statystyka wskazuje na Azję Południowo-Wschodnią, Afrykę Równikową, a być może także Amazonię i Amerykę Środkową – zwłaszcza strefy na granicy lasów tropikalnych i obszarów świeżo zurbanizowanych – jako regiony, gdzie takie wydarzenie jest nie tylko możliwe, ale prawdopodobne. Zaznaczam jednak, że nie wolno z tego powodu demonizować nietoperzy. Istnieją na Ziemi znacznie dłużej niż małpy człekokształtne (nie wspominając o rodzaju Homo) i były sąsiadami ludzi od zarania dziejów. Rzadko wynikało stąd coś złego dla nas. Niebezpieczeństwo zoonoz (czyli chorób przenoszonych ze zwierząt na ludzi) ściągamy na siebie sami wskutek własnych nieprzemyślanych działań. 

Przypisy

1) Niektóre nietoperze rozpoznają latające owady, na które polują, po akustycznym przesunięciu dopplerowskim powodowanym przez ruchy owada. Potrafią przy tym dostosowywać częstotliwość wydawanych pisków do prędkości lotu, aby skompensować zakłócający efekt Dopplera wynikający z ich własnego ruchu.
2) Nie licząc punktowych mutacji synonimicznych (zwanych też cichym), czyli takich, które nie powodują zmiany aminokwasów w kodowanym białku.

Opisy ilustracji

Ryc. 1. Kolonia rudawca sundajskiego (Rousettus amplexicaudatus) z rodziny rudawkowatych w jaskini–rezerwacie Monfort na wyspie Samal (Filipiny). Jaskinia jest zasiedlona przez ok. 2,3 mln nietoperzy. Mniej więcej tyle ludzi przebywa w Warszawie w ciągu dnia. Foto: Ranieljosecastaneda. Źródło: Wikimedia (licencja CC BY-SA 4.0).
Ryc. 2. Zidentyfikowane sekwencje genomów wirusów występujących u nietoperzy z podziałem na rodziny. Około jednej trzeciej stanowią koronawirusy (Coronaviridae). Źródło: Letko et al. 2020 (domena publiczna).
Ryc. 3. Handel dzikimi zwierzętami na targowisku w Mongla w stanie Szan (Mjanmar/Birma). Na pierwszym planie widać łuskowce (Manis sp.). Wirusy blisko spokrewnione z SARS-CoV-2, których pierwotnymi gospodarzami były nietoperze podkowce (Rhinolophus), zakażają także łuskowce. Istnieje hipoteza, że jakiś łuskowiec był pośrednikiem, z którego SARS-CoV-2 przeniósł się na ludzi, ma ona jednak zbyt słabe uzasadnienie. Foto: Dan Bennett. Źródło: Wikipedia (licencja CC BY 2.0).

Lektura dodatkowa

  • Czego mogą nas nauczyć nietoperze: Irving et al. 2021.
  • Zarys immunologii nietoperzy: Gorbunova et al. 2020.
  • Jeden z artykułów, w których trafnie prognozowano możliwość wybuchu nowej epidemii spowodowanej przez koronawirusa pochodzącego od nietoperzy w Azji Południowo-Wschodniej. Bynajmniej nie trzeba było być jasnowidzem, żeby ją przewidzieć: Afelt et al. 2018.

Uniewinniona dzięki genetyce. Sprawa Kathleen Folbigg (2)

W poprzednim wpisie napisałem o sprawie Kathleen Folbigg, która została oskarżona o zamordowanie czwórki swoich dzieci i przesiedziała 20 lat w więzieniu. Dzięki badaniom genetycznym udało się wykazać, że dzieci zmarły z powodu rzadkich mutacji genetycznych. Jedna z nich dotyczyła kalmoduliny, białka wiążącego jony wapnia i odgrywającego dużą rolę w skurczu mięśnia.

Jak działają mięśnie prążkowane?

Jak wiemy ze szkoły, mięśnie dzielą się na gładkie i prążkowane, a te ostatnie dodatkowo na szkieletowe i wchodzące w skład mięśnia sercowego. Skurcz mięśnia prążkowanego następuje w wyniku wzajemnego przesunięcia kompleksów białkowych nazywanych filamentami. Są ich dwa rodzaje: cienkie i grube. W skład cienkich wchodzą następujące białka: aktyna, troponiny (są ich trzy rodzaje) i tropomiozyna, a w skład grubych głównie miozyna. Grube filamenty są zakotwiczone w błonie komórkowej za pomocą tytyny, która jest największym znanym białkiem. Pisał o niej Piotr Gąsiorowski. Prążki widoczne w mięśniu pod mikroskopem są wynikiem obecności regularnie rozmieszczonych grubych i cienkich filamentów. Ich kompleks zdolny do skurczu nosi nazwę sarkomeru (Ryc. 1).

Ryc. 1. Struktura sarkomeru mięśnia sercowego. Według: Wikipedia, Mohamed Elshennavy.  Licencja CC BY 4.0.

Kiedy ma miejsce skurcz mięśnia? Kiedy w sarkomerze pojawią się jony wapnia. Pod wpływem impulsu nerwowego (zwanego bardziej prawidłowo potencjałem czynnościowym) następuje uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej zwanej też retikulum sarkoplazmatycznym. Jest to obecny w każdym mięśniu prążkowanym system połączonych zbiorników, którego głównym zadaniem jest gromadzenie jonów Ca2+ i rozprowadzanie ich za pomocą kanalików T i cystern brzeżnych. Jony wapnia powodują związanie główek miozyny z aktyną, a wzajemne przesuwanie filamentów jest spowodowane hydrolizą ATP w  główkach miozyny (Ryc. 2).

Ryc. 2. Przekrój przez mięsień szkieletowy z widocznymi kanalikami T biegnącymi do wnętrza komórki między dwie cysterny brzeżne, od których odchodzą kanaliki siateczki sarkoplazmatycznej. Sarkolemma to błona komórkowa komórki mięśniowej czyli miocytu. Według: Wikipedia, OpenStax, Licencja CC BY 4.0.

O czego zależy skurcz mięśnia? W przypadku mięśni szkieletowych od naszej woli. W odpowiedzi na „polecenie” wygenerowane we fragmencie czołowego płata kory mózgowej powstaje potencjał czynnościowy, który za pośrednictwem nerwów odśrodkowych trafia do odpowiedniego mięśnia szkieletowego. Przyczyną powstawania potencjałów czynnościowych są zmiany w przepuszczalności błony komórkowej neuronów, spowodowane otwieraniem i zamykaniem się białek przenoszących jony Na+ i K+, czyli kanałów sodowych i potasowych. Ponieważ stężenie jonów Na+ na zewnątrz komórki jest wyższe niż wewnątrz (w przypadku jonów K+ jest odwrotnie), otwarcie kanałów jonowych powoduje chwilową depolaryzację błony komórkowej: różnica potencjałów po obu stronach błony (czyli napięcie) zmienia się z ok. -60 mV na  ok. +30 mV. Stały potencjał komórkowy jest utrzymywany przez pompę sodowo-potasową zależną od ATP (NKA). Pisałem o tym w moim wpisie na temat układu nerwowego. Ta zmiana potencjału powoduje uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki śródplazmatycznej, a w konsekwencji skurcz mięśnia.

W mięśniu sercowym za skurcze odpowiadają potencjały czynnościowe generowane przez węzeł zatokowo-przedsionkowy. Znajduje się on w ścianie prawego przedsionka serca i jest generatorem wyładowań elektrycznych, które rozpoczynają i kończą każdy cykl akcji serca (możemy badać te cykle za pomocą EKG). Podobnie jak w przypadku mięśnia szkieletowego, powodują one uwolnienie jonów Ca2+ z siateczki sarkoplazmatycznej.

W mięśniu prążkowanym, który się nie kurczy, miozyna nie może związać się z aktyną, ponieważ tropomiozyna skutecznie blokuje dostęp. Ale kiedy z siateczki sarkoplazmatycznej zostaną uwolnione jony Ca2+, wiążą się one do troponiny C zmieniając strukturę kompleksu troponina-tropomiozyna. Aktyna odsłania się i miozyna może się do niej związać. Teraz korzystając z energii zawartej w ATP miozyna zaczyna wędrówkę po filamencie aktynowym, i będzie to robić tak długo, jak będą obecne jony Ca2+. (Ryc. 3).

Ryc. 3. Mechanizm skurczu mięśnia na przykładzie pojedynczego filamentu w sarkomerze. Jony Ca2+ wiążą się do troponiny C, powodując zmianę struktury kompleksu troponina-tropomiozyna. W wyniku tej zmiany struktury główka miozyny wiąże się do aktyny. Zapoczątkowuje to przesuwanie się grubego filamenty po cienkim filamencie, w wyniku czego sarkomer ulega skróceniu. Energia potrzebna do wzajemnego przesuwania się filamentów pochodzi z hydrolizy ATP. Według: Havey C. et al.,  Cells 2023, 12:  2526. Licencja CC BY 4.0.

Jony wapnia jako klucz do skurczu mięśnia (nie tylko sercowego)

Potencjał czynnościowy przemieszczający się wzdłuż kanalików T powoduje otwarcie kanałów dla sodu i wapnia (NCX). Zewnątrzkomórkowe jony Ca2+ wnikają do komórki, a podwyższenie jego stężenia jest wyczuwane przez receptory rianodynowe (RyR) w błonie siateczki sarkoplazmatycznej. Nazwa pochodzi od alkaloidu z rośliny Ryania speciosa z rodziny wierzbowatych, który mają zdolność do ich blokowania. Receptory RyR są białkami transportującymi wapń: po otwarciu wprowadzają do cytoplazmy jony Ca2+ znajdujące się w siateczce sarkoplazmatycznej. Jony wapnia wiążą się do troponiny i następuje skurcz mięśnia.

Do przerwania skurczu potrzebne jest natomiast obniżenie stężenia jonów Ca2+.  Teraz do gry wchodzi pompa wapniowa zależna od ATP (sarco/endoplasmic reticulum ATPase, SERCA), która korzystając z energii ATP przepompowuje jony Ca2+ z powrotem do siateczki sarkoplazmatycznej. Cześć jonów Ca2+ jest też usuwana z komórki przez transporter wymieniający jony Na+ na Ca2+. Spadek stężenia Ca2+ powoduje zmianę struktury troponina-tropomiozyna. Miozyna znów nie może związać się z aktyną, co powoduje relaksację mięśnia. Na tej zasadzie działają zarówno mięśnie szkieletowe, jak mięsień sercowy (chociaż są między nimi pewne różnice). Transportery jonów biorące udział w skurczu mięśnia sercowego pokazano na Ryc. 4. Mięśnie gładkie działają trochę inaczej i zasługują na osobny wpis.

Ryc. 4. Transportery jonów biorące udział w skurczu mięśnia sercowego. Według: Wikipedia, PeaBrainC, Licencja CC BY 4.0.

Kalmodulina i jony wapnia

Tak więc jony wapnia stanowią podstawę regulacji skurczu mięśnia. Jego stężenie jest kontrolowane przez dwa rodzaje białek: te, które transportują jony Ca2+ przez błonę komórkową oraz te, które wiążą te jony wewnątrz komórki. Najważniejszym wewnątrzkomórkowym czujnikiem jonów Ca2+ jest wspomniana kalmodulina, białko składające się ze 148 aminokwasów. Sekwencja aminokwasowa kalmoduliny jest taka sama u wszystkich kręgowców, tak więc można ją uznać za jedno z najbardziej konserwatywnych ewolucyjnie białek. U człowieka, podobnie jak u innych kręgowców, kalmodulina jest kodowana przez trzy geny o nazwach CALM1, CALM2 i CALM3, znajdujące się na chromosomach 14, 2 i 19. Układ intronów (czyli fragmentów genu, które nie kodują białka) i sekwencja aminokwasowa jest taka sama. Różne są natomiast sekwencje promotorów, czyli fragmentów genu odpowiadających za transkrypcję (przepisanie DNA na mRNA). Dzięki tym różnicom poziom transkrypcji (a więc pośrednio ilość białka) jest różny w różnych komórkach. Chociaż sekwencja aminokwasowa tych trzech genów jest taka sama, to sekwencje nukleotydowe wykazują spore różnice. Uważa się na przykład, że dzięki tym różnicom różna jest stabilność (czyli trwałość) mRNA w różnych komórkach. Dzięki temu na przykład w spermatydach, czyli komórkach, z których powstają plemniki, najwięcej jest mRNA dla CALM3, który jest najtrwalszy.

Ze względu na wielopoziomową regulację, poziom mRNA przepisanego z trzech genów może być różny w różnych tkankach. Najwyższa ekspresja genu CALM1 ma miejsce w adipocytach, czyli komórkach tkanki tłuszczowej, genu CALM2 w komórkach płuc, a genu CALM3 w spermatydach. W porównaniu do tych komórek, poziom ekspresji wszystkich trzech genów kalmoduliny w komórkach serca jest stosunkowo niski (ok. 1/3 tego, co wymienionych wyżej genów). Schemat regulacji ekspresji genów kodujących kalmodulinę pokazano na Ryc. 5.

Ryc. 5. Geny kodujące kalmodulinę i regulacja ich ekspresji. Według: Munk M. et al., Cell Calcium 2022, 107:102656. Licencja CC BY 4.0.

Struktura kalmoduliny

Cząsteczka kalmoduliny zawiera cztery miejsca wiążące jony Ca2+. Związanie wszystkich czterech jonów powoduje zmianę jej struktury: łańcuch białkowy w okolicy związanych jonów zmienia położenie, odsłaniając dwa ukryte dotąd fragmenty. Właśnie za pośrednictwem tych fragmentów kalmodulina wiąże się do innych białek, modulując ich działanie. Jakie to białka? Znamy ich dzisiaj ponad 300, mogą to być enzymy, białka szkieletu komórkowego czy pompy jonowe. Wykazano na przykład, że różnice w długości dzioba u tzw. zięb Darwina, czyli w grupie kilkunastu podobnych do siebie gatunków ptaków opisanych przez Karola Darwina na wyspach Galapagos są spowodowane różną ekspresją kalmoduliny. Wyższa ekspresja kalmoduliny powoduje wydłużenie dzioba, a u ptaków z krótszym dziobem kalmoduliny powstaje mniej. Uważa się, że kalmodulina oddziałuje z białkiem BMP4 (4 białko morfogenetyczne kości, bone morphogenetic protein 4) powodując wydłużenie struktur kości dzioba. Kalmodulina może więc być modulatorem rozwoju struktur twarzowo-czaszkowych, a jest to tylko jedna z jej licznych funkcji.

W komórkach mięśni prążkowanych kalmodulina wiąże się do białek transportujących jony Ca2+, blokując ich działanie i biorąc tym samym udział w wygaszaniu sygnału spowodowanego przez jony wapnia. Można więc porównać kalmodulinę do człowieka, który ma obie ręce sprawne, z tym że te ręce pojawiają się dopiero po związaniu jonów Ca2+ (Ryc. 6).

Ryc. 6. Struktura kalmoduliny przed i po związaniu jonów wapnia (niebieskie kółka). Gwiazdkami oznaczono fragmenty, za pomocą których kalmodulina wiąże się do innych białek. Odsłaniają się po związaniu czterech jonów Ca2+. Źródło: Wikipedia, PDB. Licencja CC BY 4.0.

Mutacje w genach kodujących kalmodulinę

Co dzieje się w przypadku mutacji w genach kodujących kalmodulinę? Mogą one wpływać na zdolność tego białka do wiązania jonów Ca2+. Jeżeli kalmodulina może związać tylko trzy jony Ca2+, to jej struktura nie zmieni się w dwóch miejscach, a tylko w jednym. To trochę tak, jakby człowiek miał tylko jedną sprawną rękę. Taka kalmodulina może związać tylko jeden fragment innego białka, tak więc nie może go skutecznie blokować.

Najczęściej spotykane mutacje kalmoduliny przedstawiono na Ryc. 7. Niektóre z nich powodują, że jon Ca2+ nie może zostać związany w danym miejscu, tak jak np. zamiana asparaginy w pozycji 98 na serynę (skrótowa nazwa takiej mutacji to N98S). Wykazano, że taka mutacja może spowodować nagłą śmierć łóżeczkową (sudden infant death, SID). Z kolei zamiana kwasu asparaginowego w pozycji 130 na serynę (D130) może spowodować zespół długiego QT (long QT syndrome, LQTS). Nazwa pochodzi od wydłużenia odstępu QT w elektrokardiogramie. Może to prowadzić do arytmii i migotania komór. Mutacje takie mogą zajść w każdym z trzech genów kodujących kalmodulinę i każda taka mutacja może wywołać poważne skutki kliniczne.

U Kathleen Folbigg i jej dwojga dzieci znaleziono mutację w genie CALM2 polegającą na zmianie glicyny w pozycji 114 na argininę (G114R). Ta glicyna znajduje się dość daleko od miejsca wiązania jonów Ca2+, więc teoretycznie jej zamiana na inny aminokwas nie powinna mieć dużego wpływu na wiązanie. Opisano jednak mutację G114W w genie CALM3, w której glicyna w tej samej pozycji została zastąpiona przez tryptofan. Dzieci, u których znaleziono tę mutację (rodzeństwo), zmarły nagle w wieku 4 i 5 lat. Przyczyną zgonu było migotanie komór i zatrzymanie akcji serca albo nagła śmierć łóżeczkowa. Tak więc glicyna w pozycji 114 ma (pośredni) wpływ na wiązanie jonów Ca2+, chociaż nie bierze w nim bezpośredniego udziału.

Ryc. 7. Struktura kalmoduliny i mutacje powodujące obniżenie jej zdolności do wiązania jonów Ca2+. Po prawej stronie pokazano niektóre mutacje kalmoduliny i przyczyny zgonu dzieci, u których je znaleziono. SID: nagła śmierć łóżeczkowa (sudden infant death), LQTS:  zespół długiego QT (long QT syndrome), CA: zatrzymanie akcji serca (cardiac arrest). Podano wiek dziecka w chwili śmierci. Według: Brohus M et al. Europace 2021, 23. 441–450. Licencja CC BY 4.0.

W komórkach mięśni prążkowanych kalmodulina działa jak czujnik podwyższonego stężenia jonów Ca2+. Jeżeli jest ich dużo, to wiąże się do kanałów wapniowych powodując ich zablokowanie. Jeżeli jednak zawiera mutacje takie jak opisane wyżej, to kanał wapniowy nie zostanie zablokowany w sytuacji wysokiego stężenia jonów Ca2+. Taki niezablokowany kanał dalej transportuje jony Ca2+ nawet w sytuacji, gdy skurcz już się skończył i jony Ca2+ są wypompowywane z komórki z powrotem do siateczki sarkoplazmatycznej. W prawidłowej komórce mięśniowej powoduje to znaczne obniżenie ich stężenia, ale w komórce osoby z mutację stężenie jonów Ca2+ nie spada, a więc skrurcz trwa. Pamiętamy, że są trzy geny (czyli sześć alleli) kodujących kalmodulinę, a wzajemny stosunek mRNA dla genów CALM1, CALM2 i CALM3 to 15:25:60. Jeżeli jeden allel genu CALM2 zawiera mutację, to ok. 12,5% cząsteczek kalmoduliny (czyli połowa puli mRNA z genu CALM2) nie działa prawidłowo. I to może wystarczyć, aby zakłócić pracę mięśnia sercowego (Ryc. 8). A co z mięśniami szkieletowymi? Tam też może dojść do podobnej sytuacji, ale skutkiem może być najwyżej lokalny skurcz mięśnia. W jego wyniku raczej nikt raczej nie umrze.

Dlaczego osoby z takimi mutacjami mogą mieć problemy z sercem?

Ryc. 8. Kalmodulina jako modulator kanałów wapniowych. Mutację G114R znaleziono u dzieci Kathleen Folbigg. Zdolność do wiązania tylko trzech (zamiast czterech) jonów Ca2+ powoduje, że kalmodulina z mutacją G114R (kolor czerwony) słabiej wiąże się do białek transportujących wapń: receptora rianodynowego (RyR2) i kanału wapniowego (CaM). Skutkiem jest „przepuszczanie” jonów Ca2+ przez te białka. Według: Brohus M et al., Europace 2021, 23. 441–450. Licencja CC BY 4.0.

Dlaczego Kathleen Folbigg nie miała problemów z sercem?

Uważny czytelnik zapyta: dlaczego dwoje dzieci z mutacją G114R zmarło, podczas gdy ich matka, po której one tę mutacje odziedziczyły, była zdrowa? Dlatego, że mutacje w kalmodulinie nie zawsze dają objawy kliniczne. Przyczyną mogą być mutacje w innych genach, które chronią ich nosicieli przed problemami kardiologicznymi. Przykładami mogą być mutacje w genie KCNQ1, który koduje kanał potasowy bramkowany napięciem, albo w genie NOS1AP, który koduje białko adaptorowe syntazy tlenku azotu. Obecność takich mutacji powoduje, że nawet jeżeli kalmodulina nie działa do końca prawidłowo, to jest to równoważone przez inne czynniki (np. wyższe stężenie tlenku azotu). Takie geny nazywa się genami modyfikującymi (modifier genes). Prawdopodobnie nosicielką jednego z nich jest Kathleen Folbigg.

Literatura dodatkowa

Mechanizm skurczu mięśnia

https://doi.org/10.3390/cells12212526

Rola kalmoduliny w wydłużaniu dzioba u zięb Darwina

https://www.nature.com/articles/nature04843

Rola kalmoduliny w skurczu mięśnia sercowego

https://doi.org/10.1111/febs.12337

Mutacje w genie kalmoduliny związane z arytmią

https://doi.org/10.3390/ijms21041418

Ekspresja kalmoduliny w różnych tkankach

https://doi.org/10.1016/j.ceca.2022.102656

Geny modyfikujące działanie kalmoduliny

https://doi:10.1093/eurheartj/ehy502