Prirodna selekcija na molekularnoj razini Understand article

Prevoditelj Petra Korać. Znamo da nam specifične sekvence gena mogu pomoći u preživljavanju u našem okolišu – to je osnova evolucije. Ali pokazati koje sekvence su korisne i kako nam pomažu nije lako – posebno u divljim populacijama. Jarek Bryk opisuje neka važna, novija…

Kad su ljudi prvi puta napustili Afriku, prije nekih 150 000 godina, smještavali se u dolinama Tigrisa i Eufrata, plovili između otoka Indonezije i pješačili preko Beringa ravno do Amerike, susreli su se s mnogim izazovima. Dolazeći iz vrućih i suhih afričkih savana, populacija se morala prilagoditi lokalnim uvjetima pa se kroz generacije prema tome promijenila i njhova fiziologaija i izgled (Harris Meyer, 2008). Koža ljudi postala je svjetlija nakon života u regijama s manje sunca (Lamason et al., 2005). Populacije čiji su članovi pili mlijeko domaćih životinja zadržavale su sposobnost probavljanja laktoze i u odrasloj dobi, svojstvo koje su populacije u čijoj prehrani nije bilo mlijeka gubile ubrzo nakon djetinjstva (Tishkoff et al., 2007). Populacije koje su jele hranu bogatu škrobom proizvodile su u slini više amilaze, enzima koji pomaže razgraditi škrob (Perry et al., 2007).

Smatra se da su barem neke od ovih promjena posljedica pozitivne selekcije (pogledajte Pojmovnikza sve nazive u kurzivu). To ukazuje da su u određenom okolišu (selekciijski pritisak) u prošlosti jedinke koje su imale povoljniju sekvencu DNA preživjele i ostavile više potomstva nego one koje su imale drugačiju, manje povoljnu sekvencu. Danas, koristeći genomske sekvence mnogih vrsta, uključujući ljude i njihove evolucijski nabliže srodnike, znanstvenici mogu usporediti svojstva i sekvence DNA iz populacija ili vrsta s različitim načinima života i iz različitih okoliša kako bi identificirali koje su sekvence najvjerojatnije imale ulogu u prilagodbi. Zauzvrat, ovo omogućava istraživačima da istraže funkciju sekvenci DNA i njihovu potencijalnu adaptivnu vrijednost za pojedini organizam.

Neki od gena za koje se zna da utječu na boju kože kod ljudi, pokazuju specifični geografski obrazac varijacije sekvence; konkretnije, usporedba sekvenci europskih i afričkih populacija ukazuje na to da je za varijacije u boji kože odgovorno pozitivna selekcija. Svjetlije nijanse kože pozitivno koreliraju s povećanjem zemljopisne širine, a za objašnjenje potencijalne prednosti postoji nekoliko predloženih hipoteza.

Jedna hipoteza, koja kaže da je svijetla koža pogodnija za proizvodnju vitamina D, ima uporište u opaženoj pojavi da ljudi tamnije kože koji žive na većim zemljopisnim širinama imaju deficijencije vitamina D. K tome, svjetlija koža je podložnija štetnim efektima sunčevih zraka: veća izloženost suncu korelira s povišenom incidencijom raka kože u blijeđih ljudi. Dakle, blijeda koža u ljudskim populacijama koje žive na višim zemljopisim širinama može biti evolucijski kompromis između zaštite od karcinogenog učinka sunčevih zraka i omogućavanja dovoljne proizvodnje esencijalnog vitamina.

Iako je ovo čvrsta hipoteza, dokazi na kojima se temelji su indirektni. Direktan dokaz adaptivne vrijednosti ovog svojstva iziskivao bi mjerenje, o tome pokazuju li na višim zemljopisinim širinama jedinke sa svjetlijom kožom poboljšano preživljenje i reprodukciju. Takvi dokazi su u našoj vrsti jako teški: eksperimenti preživljenja (u kojima su jedinke s različitim svojstvima izložene nekom okolišu da se vidi koja će preživjeti) ne mogu biti rađeni na ljudima, a naše dugo generacijsko vrijeme otežava istraživanje različitosti u stopi razmnožavanja. Okolnosti u kojima je moguće promatrati adaptivnu vrijednost nekog svostva u ljudi su time jako ograničene – ali postoje.

Jedan takav primjer uključuje dvije bolesti: srpastu anemiju i malariju. Gen uključen u razvoj srpaste anemije ima dvije varijante, ili alela: ‘normalni’ alel i alel srpaste anemije. Pojedinci koji imaju oba alela srpaste anemije imaju srpastu anemiju sa jako izraženim simptomima, dok oni koji imaju jedan alel srapste anemije i jedan normalan alel ne pokazuju tako jake simptome. Ipak, podaci o smrtnosti pokazuju da bi alel srpaste anemije mogao biti prednost: u populacijama izloženim parazitu malarije pojedinci koji nose jedan alel srpaste anemije i jedan normalan alel u većem će broju preživjeti od onih koji nose oba normlna alela jer parazit (Plasmodium falciparum) treba zdrave eritrocite kako bi mogao napasti i razmnožavati se. Zbog toga se učestalost alela koji uzrokuje srpastu anemiju povećava u grupama izloženim malariji – taj je alel adaptivan u ovom okolišu.

Drugi primjer koji pokazuje adaptivnu vrijednost ljudskih svojstava odnosi se na fragment kromosoma 17, za kojeg je poznato da je do njegove inverzije došlo kod naših predaka prije više od tri miliona godina (Stefansson et al., 2005). Činjenica da se ta varijanta raširila u europskim populacijama ukazuje da je bila odabrana pozitivnom selekcijom – donijela je prednost pojedincima koji je nose. Genotipiziranjem gotovo 30 000 Islanđana, znanstvenici koji su istraživali tu tezu mogli su odrediti da su kroz zadnjih 80 godina pojedinci koji su imali tu varijantu sekvence imali u prosjeku 3.2% više potomstva po generaciji od pojedinaca s normalnom sekvencom – moguće objašnjenje na koji se način ta varijanta proširila tako brzo.

Iako ova dva primjera jasno pokazuju nedavna djelovanja pozitivne selekcije u ljudi, molekularni mehanizmi kojima varijante sekvenci dobivaju svoje prednosti nisu dobro poznati i moraju biti istraženi od slučaja do slučaja. Kako bi se razjasnila uzročna veza među potencijalno adaptivnim sekvencama DNA i fitnesa, znanstvenici se okreću organizmima s kojima je lakše eksperimentirati nego s ljudima.

Na primjer, boja krzna Oldfield miša, Peromyscus polionotus, podudara se s bojom tla staništa omogućavajući kamuflažu. Miševi koji žive na blijedom pijesku plaža Floride puno su svjetliji od miševa iste vrste koji žive u unutrašnjosti. Adaptivna vrijednost ovog svojstva dokazana je eksperimentalno prije više od 30 godina: sove su rijeđe pojele miševe s krznom koje je odgovaralo boji tla nego one druge, koji su imali manju kamuflažu. Ipak, znanstvenici su tek nedavno identificirali genski lokus koji stoji iza ovog adaptivnog svojstva (Hoekstra et al., 2006): varijacija u boji krzna uvelike ovisi o različitim alelima gena McR1. Protein kojeg kodira taj gen služi kao biokemijski prekidač koji vodi u proizvodnju eumelanina, tamnog pigmenta kože ili feomelanina, svijetlog pigmenta. Različiti aleli gena McR1 aktiviraju put nastanka u različitim količinama, potičući proizvodnju jednog ili drugog pigmenta.

Drugi primjer dokazane uzročne veze uključuje Staphylococcus aureus, bakteriju koja može uzrokovati različite bolesti uključujući upalu pluća i upalu srčanog zalistka. U rijetko prirodnom eksperimentu, pacijent s čestim infekcijama baklterijom S. aureus liječen je tri mjeseca vankomicinom, jednim od rijetkih antibiotika koji je još uvijek uspješan kod infekcija S. aureusom. Prije i za vrijeme intervala liječenja znanstvenici su sakupljali uzorke (izolate) patogena i sekvencirali cijeli genom početnog i završnog izolata. Kada su usporedili tri miliona parova baza (‘slova’ genskog koda) od kojih se sastoji bakterijska DNA, našli su svega 35 različitih parova baza između početnog i završnog izolata.

Parcijalnim sekvenciranjem izolata uzetih kroz tijek liječenja, znanstvenici su tada otkrili redoslijed kojim su se te promjene morale dogoditi. Testiranjem otpornosti bakterije na vankomicin in vitro iz različitih izolata, mogli su povezati pojedine genske promjene s učinkom na rast bakterije i odgovorom pacijenta na terapiju. Na primjer, prvi i drugi izolat bakterije razlikovali su se u šest nukleotidnih supstitucija (promjena u ‘slovima’) u dva gena. Tih šest mutacija su same po sebi jasno omogućavale prednost: povećale su otpornost bakterije na vankomincin 4 puta, omogućavajući tim bakterijima koje ih nose opstanak i bolje razmnožavanje, a time i to da su postajale sve uobičajenije u tijelu pacijenta. Dvadeset i šest idućih mutacija kroz naredne tjedne terapije udvostručile su otpornost, uspješno stvarajući soj bakterije S. aureus otporan na vankomicin (Mwangi et al., 2007).

Ukratko, istraživanje molekularne osnove adaptivne evolucije u divljim populacijama nije lako. Izazovi uključuju definiranje sila selekcije, identificiranje koje sekvence DNA su povezane s kojim svojstvima, mjerenje prilagođenosti pojedinca i nalaženje objašnjenja kroz mehanizame kojima promjene u sekvenci utječu na svojstva prilagodbe. Ipak, korištenjem modelnih organizama i nedavnim razvojem tehnologije ovakva istraživanja sada postaju izvediva povećavajući naše razumijevanje o promjenama na razini gena koje omogućavaju organizmima prilagodbu njihovom okolišu.

Acknowledgements

The author is grateful to David Hughes, Mehmet Somel and Ania Lorenc for helpful comments on the article.

Download

Download this article as a PDF