Wszyscy wiemy, że ludzie nie mają ogonów. Nie jest to do końca prawdą: w czasie życia płodowego mamy ogon, który zanika mniej więcej w ósmym tygodniu. Jego pozostałość to kość guziczna (ogonowa), która jest połączeniem zrośniętych kręgów ogona (zazwyczaj czterech). Nie ma ogona też u naszych najbliższych krewnych: szympansów, goryli, orangutanów i gibonów. Dlaczego u tych gatunków ogony zniknęły? Niedawno ukazała się publikacja, w której wyjaśniono jak to się stało.
Gen brachyury czyli TBXT
Pierwszą badaczką, która zwróciła uwagę na możliwość zaniknięcia ogona u zwierząt, które go mają, była urodzona w Kijowie Nadia Dobrowolska-Zawadska (1878-1954, Ryc. 1). Studiowała medycynę w Sankt Petersburgu, a w czasie I wojny światowej była lekarką w armii carskiej (później w armii Piotra Wrangla). Od 1921 r. pracowała w Instytucie Pasteura w Paryżu. Badała tam wpływ naświetlania promieniami Roentgena na układ kostny myszy, i w 1927 r. udało jej się otrzymać szczep myszy pozbawionych ogona. Podejrzewała, że myszy te mają mutacje w genie odpowiedzialnym za kształtowanie się ogona w czasie życia płodowego. Obecność dwóch kopii takiego genu była śmiertelna, ale jedna kopia powodowała, że ogona nie było. Nazwała tę cechę brachyury (z greckiego: krótki ogon).
Ryc. 1. Nadia Dobrowolska-Zawadska. Źródło: Wikipedia, domena publiczna.
Sekwencja genu odpowiedzialnego za brak ogona została poznana w 1990 r. Wykazano wtedy, że koduje on czynnik transkrypcyjny, czyli białko, które wiążąc się do określonej sekwencji DNA w genie reguluje transkrypcję tego genu (czyli przepisanie na mRNA). Nazywany początkowo genem T (od tail, czyli ogon), obecnie nosi nazwę TBXT i wchodzi w skład rodziny genów T. U człowieka jest 15 genów należących do tej rodziny. Większość z nich koduje białka regulujące kształtowanie się narządów w czasie rozwoju płodowego.
Homologi (czyli odpowiedniki) genu TBXT występują u wszystkich zwierząt dwubocznie symetrycznych, gdzie wpływają na transkrypcję genów regulujących powstawanie mezodermy, która jest jednym z trzech podstawowych listków zarodkowych, czyli zespołów komórek powstających w czasie rozwoju zarodkowego.
Sekwencje Alu w genie TBXT, czyli co stało się u przodków człekokształtnych?
Autorzy publikacji znaleźli w ludzkim genie TBXT dwie sekwencje Alu. Nie było to nic nadzwyczajnego. Sekwencje Alu (nazywane tak od enzymu restrykcyjnego, które je rozpoznaje) to krótkie fragment DNA (długość ok. 300 par zasad), które mogą wbudowywać się w dowolnych miejscach naszego DNA. Sekwencje takie jak Alu nazywane sią transpozonami albo skaczącymi genami. W ludzkim genomie jest ok. miliona sekwencji Alu. Jeżeli jest ich tak dużo, to dlaczego odegrały tak dużą rolę akurat w genie TBXT?
Tu krótkie wyjaśnienie: większość eukariotycznych genów składa się z sekwencji kodujących białka nazywanych eksonami, i sekwencji, które nie kodują białek (są to introny). Po transkrypcji introny zostają usunięte w ramach procesu nazywanego splajsingiem. Zdarza się niekiedy, że w czasie tego procesu niektóre eksony mogą być pominięte: takie zjawisko nazywamy alternatywnym splajsingiem. Skutkiem jest powstanie różnych białek: takich, które zawierają sekwencje kodowane przez dany ekson (lub eksony), i takich, które tych sekwencji nie zawierają.
W ludzkim genie TBXT (a także w jego odpowiedniku u szympansa, goryla, orangutana i gibona) obecne są dwie sekwencje Alu: jedną, o nazwie AluS, znaleziono także u pozostałych małp. Druga, o nazwie AluY, jest jedynie u wymienionych wyżej małp bez ogona. Obie te sekwencje znajdują się w intronach po dwóch stronach eksonu 6. Ich obecność powoduje, że w czasie splajsingu kompleks zwany splajsosomem może wyciąć ekson 6 wraz z okalającymi go intronami, lub też może go nie wyciąć. Powstają w ten sposób dwie formy białka TBXT: jedna zawiera sekwencję kodowaną przez ekson 6, a druga nie. Jest to właśnie alternatywny splajsing (Ryc. 2).
Ryc. 2. Schemat alternatywnego splajsingu w genie TBXT u człowieka. Eksony w kolorze niebieskim, sekwencje Alu w czerwonym. Gen TBXT składa się z 8 eksonów, pokazano tylko eksony 4-7. Według: Konkel MK et al., Nature 2024, 626: 958, zmodyfikowane.
Czy obie formy są potrzebne? Wydaje się, że tak. Autorzy publikacji wykazali, że u myszy z usuniętym eksonem 6 (czyli u takich, u których wszystkie białka TBXT nie zawierają sekwencji kodowanej przez ekson 6) powstają wady rozwojowe cewy nerwowej. Są to wrodzone wady ośrodkowego układu nerwowego; zalicza się do nich m.in. bezmózgowie, rozszczep kręgosłupa, przepuklinę mózgową i oponową. U człowieka takie zaburzenia występują z częstością 1: 1000 urodzeń.
Zwierzęta bez ogona
Małpy nie są jedynymi zwierzętami pozbawionymi ogonów. Na wyspie Man znajdującej się na Morzu Irlandzkim istnieje rasa kotów pozbawionych ogonów, nazywana Manx (Ryc. 3).
Ryc. 3. Kot z wyspy Man. Źródło: Wikipedia, Michelle Weigold. Licencja CC BY-SA 4.0.
Również psy niektórych ras, jak np. Welsh Pembroke Corgi nie mają ogonów (Ryc. 4).
Ryc. 4. Welsh Pembroke Corgi. Źródło: Wikipedia, Marsiyanka. Licencja CC BY-SA 3.0.
Przeważnie (chociaż nie zawsze) przyczyną takiego braku są mutacje w genie TBXT. Nie jest to jednak związane z obecnością dodatkowych kopii sekwencji Alu, ale z punktowymi mutacjami pojedynczych nukleotydów. Mutacje te powodują, że białko kodowane przez taki gen nie aktywuje właściwych genów w czasie życia płodowego. Cecha braku ogona jest dziedziczona recesywnie; to znaczy, że potrzeba dwóch kopii genu TBXT z mutacjami, żeby ogona nie było.
Dlaczego przodkowie ludzi i małp człekokształtnych stracili ogony?
Utrata ogona miała miejsce ok. 25 milionów lat temu, kiedy przodkowie człekokształtnych oddzielili się od przodków dzisiejszych małp ogoniastych (Ryc. 5).
Ryc. 5. Ewolucja braku ogona u naczelnych. Według: Xia B. et al., The genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes, BioRXiv https://doi.org/10.1101/2021.09.14.460388. Licencja CC BY-SA 4.0.
Nie bardzo wiadomo, dlaczego ogon zaniknął. Istnieje hipoteza, że brak ogona umożliwiał lepsze poruszanie się na dwóch tylnych kończynach, a także przenoszenie większych przedmiotów w kończynach przednich. Być może tak było, ale należy pamiętać, że niewielki zysk w postaci lepszego poruszania się na dwóch nogach jest okupiony kosztem w postaci dość wysokiej częstości wad cewy nerwowej. Ponadto, obserwacje małp z podrodziny kapucynek (np. kapucynka brodata, Sapojus libidinosus) sugerują, że małpy te używają ogona do podpierania się (Ryc. 6). Również roboty wyposażone w coś w rodzaju ogona są bardziej stabilne i mogą nosić większe ciężary. Może więc ogon nie jest jednak wcale taki zły i przydałby się nam i dziś?
Ryc. 6. Kapucynka brodata używająca kamienia do rozbijania orzechów i podpierająca się ogonem. Autor: Allan Hopkins (https://www.flickr.com/photos/hoppy1951/). Licencja CC BY-NC-ND 2.0.
Bardziej prawdopodobna jest inna hipoteza. Ok. 25 milionów lat temu we wschodniej Afryce miało miejsce oddzielenie się płyty afrykańskiej od płyt arabskiej i somalijskiej. Powstały wtedy Wielkie Rowy Afrykańskie, a skutkiem były zmiany klimatyczne. Te z kolei powodowały zmianę puszcz w sawanny i izolację niewielkich liczebnie grup zwierząt. Przypadkowa mutacja, niemająca wpływu na przystosowanie do środowiska, mogła w takiej izolowanej populacji rozpowszechnić się w ramach tzw. dryfu genetycznego. Zmiana ta musiała zajść u wspólnego przodka człekokształtnych, bo wszystkie gatunki potomne mają w genie TXBT tak samo ułożone sekwencje Alu. Jeśli to prawda, to można powiedzieć że ogon straciliśmy niejako przypadkiem. A utrata ogona jest jeszcze jednym przykładem sytuacji, w której dryf genetyczny przeważa nad doborem.
Literatura dodatkowa
Ruchomy element DNA i brak ogona u ludzi
https://www.nature.com/articles/d41586-024-00309-z
Charakterystyka genetyczna krótkoogoniastych zwierząt