3.01. Człowiek brzmi dumnie…
Po latach podglądania kodu życia genetycy doszli do wniosku, że zaledwie od dwóch do trzech procent genomu bierze udział w budowaniu białek – podstawy funkcjonowania organizmów. Z bezmyślnością godną dziecka uznali, że pozostała – a teraz już wiemy, że przeważająca część łańcucha DNA – jest nieistotna. Nazwali ją śmieciowym DNA i przestali się nim interesować, skupiając na białkach.
Ale to tak jakby na życie patrzeć jedynie poprzez niedziele lub święta, nie widząc dni roboczych. Dlaczego przyjęto tak nierozsądne założenie? Myślę, że u podstaw podobnego myślenia legło mendlowskie podejście do genetyki. I ono zaważyło na wieloletnich próbach zrozumienia istoty ewolucji.
3.01.01. Mniej genów…
Do tej pory uważano, że to długość kodu genetycznego DNA, jest tym, co odróżnia nas od małp. Przystępując do projektu poznania genomu człowieka zakładano, że nasz genom powinien mieć około 100.000 genów. Liczba ta wynikała z założenie, że skoro genom kukurydzy ma ich około 40.000, to człowiek musi mieć o wiele więcej. Poza tym organizm człowieka produkuje blisko 90.000 białek, więc zgodnie z pokutującą wówczas zasadą jeden gen – jedno białko, genów musiało być co najmniej tyle, ile rodzajów białek.
Tylko że liczba genów, które spodziewano się w genomie człowieka od wielu lat maleje. Wyniki ostatnich badań wskazują, że tak naprawdę jest ich bardzo, bardzo mało… Za mało, jak na tak istotne zmiany. Liczba genów spadała, najpierw do około 30.00-40.000, później do 25.000. Tych kilka procent genów więcej od genomu szympansa miało stanowić o naszej niepowtarzalności? Podliczono, że z ponad trzech miliardów par liter DNA do ułożenia odrębności genów człowieka użytych zostało jedynie … sześćdziesiąt milionów par. To ledwo dwie setne promila.
Coś było nie tak. Czy tak małe różnice w genomach wystarczają, by pozwolić człowiekowi nazwać się najwyższym wytworem ewolucji. Czyżbyśmy w tak niewielkim stopniu różnili się od darwinowskiej małpy? To już zaniepokoiło genetyków.
Ale to nie był jeszcze koniec redukcji… Liczba genów wciąż się zmniejsza. W 2004 roku zespół naukowców z całego świata, kierowany przez bioinformatyka Takashiego Gojoboriego z Narodowego Instytutu Genetyki w Tokio, połączył sześć baz genomu człowieka (po jednej z USA, Chin, Niemiec oraz trzech z Japonii). I z zebranych 41.000 pozycji, po usunięciu powielonych lub niekompletnych, powstała baza Human Full-Lenght cDNA Annotation Invitational, która zawierała już tylko 21.037 genów. Twórcy bazy mówią, że jest ona najbardziej wiarygodna, gdyż zawiera wyłącznie aktywne geny. Taką bazę tworzy się na podstawie cDNA – cząsteczki DNA utworzoną na podstawie sekwencji informacyjnego RNA (mRNA).
Podobnej liczby genów potrzeba, by zbudować małpy, krowy, czy nawet… nicieni. Przecież te organizmy i ludzi dzieli przepaść – krzyczy nasz egoizm. Po ustaleniu genomu nicienia C. Elegans okazało się, że blisko trzy czwarte genów tego organizmu wielokomórkowego jest wspólna z genami człowieka. Z 5.000 poznanych genów człowieka wspólnych mamy blisko 3.700. Według ewolucji rozdział nicieni i ludzi dokonał się 600 milionów lat temu. To jednak nie zmieniło funkcjonowania wielu genów. Geny ludzkie są tak podobne do nicieni, że po zamianie genów nicienia ludzkimi – te prawidłowo pracowały. To żywe skamieniałości. A może ich funkcjonowanie jest tak doskonałe, że ewolucja nie dokonała już żadnych poprawek?
W organizmie człowieka znajdziemy nie tylko geny nicieni. Można również powiedzieć, że ludzie są jak ptaki. Tak można by stwierdzić, porównując gen FoxP2, czym zajął się zespół Ericha Jarvisa z Duke Univeristy Medical Center oraz Constance Scharffa z Max-Planck Institut w Berlinie. Sekwencja tego genu u ptaków i u ludzi jest identyczna w 98 procentach. U ludzi zaburzenie w pracy tego genu są przyczyną dziedzicznego upośledzenia mowy, ludzi tracą zdolność prawidłowego wypowiadania słów czy układania zdań poprawnych gramatycznie. Podobnie jest u ptaków – nie potrafią śpiewać. U ptaków gen ten jest najbardziej aktywny w czasie nauki śpiewu – u zeberki na wczesnym etapie rozwoju, u kanarków w okresie sezonowych zmian wyśpiewanych linii melodycznych.
Człowiek korzysta również z genów muszki owocowej (podobieństwo genów budujących oczy) oraz wielu, wielu innych organizmów, o czym będzie okazja jeszcze wielokrotnie przypomnieć.
Określenie nasze wspólnego dziedzictwa z szympansami na blisko 99% wydaje się przytłaczające i w powszechnym odbiorze jest utożsamiane z identycznością. Cóż bowiem znaczy 1 procent różnicy? A jednak, gdy uświadomimy siebie, że oznacza to około 15 milionów zmian w kodzie – to już przepaść. Zwłaszcza gdy okazuje się, że różnice między naszymi organizmami a szympansa to nie tylko nowe geny, ale również zmiana funkcji wspólnych genów. Podobny gen, czyli zakwalifikowany jako wspólny, a odmienne działanie.
„Zazwyczaj, gdy pojawiają się informacje, że ludzki genom zawiera około 27 tys. genów, odnosi się to do genów kodujących białka. […] Coraz częściej przyjmuje się, że istnieje duży zbiór genów, które ewidentnie są funkcjonalne, choć nie kodują żadnych białek”. To słowa Michela Georgesa, genetyka z Uniwersytetu w Liege w Belgii. Większość badaczy poluje na geny produkujące białka, odpowiedzialne za różnice w naszym owłosieniu, kształcie głowy, chwytności kciuka czy ogona. Lecz podobne podejście nie rozstrzygnie kwestii wielu zmian – może nie tak widocznych, ale w większym stopniu czyniących z nas ludzi – bo związanych z postrzeganiem świata, komunikacją. Te zmiany są nieznaczne, ograniczają się do wymiany kilku nukleotydów, przestawiających jednak całkowicie warunki i sposoby reakcji zarówno na czynniki środowiskowe, jak i sygnały wewnętrzne.
Porównaniem genomów pod kątem tych drobnych zmian zajęła biostatyk z University of California w San Francisco – Katherine S. Pollard. Stypendium UC w Santa Cruz dało jej szansę uczestniczenie w projekcie poznania genomu szympansa. W tym celu napisała program komputerowy przeszukujący ludzkie DNA w poszukiwaniu fragmentów, które najbardziej się zmieniły po rozdzieleniu drogi ewolucyjnej z szympansem.
Na liście zmian, które wyłapał komputer, najbardziej obiecująca wydała się autorce sekwencja składająca się ze 118 nukleotydów, później nazwane sekwencją HAR1 – którą można określić regionem aktywności człowieka numer 1 (z ang. Human Accelerated Region 1). Dalsze badania wykazały, że sekwencja HAR1 jest fragmentem wspólnej części 2 genów (HAR1F i HAR1R). Stopień aktywności tej sekwencji w neuronach mózgu wpływa na ukształtowanie pofałdowania kory mózgowej. Nieprawidłowe funkcjonowanie na etapie rozwoju wczesnego rozwoju płodu może doprowadzić do śmierci (brak pofałdowań), natomiast zaburzenia u osób dorosłych mogą przyczyniać się do schizofrenii. Dyrektor Center for Biomolecular Science and Engineering w Santa Cruz David Haussler, w którym pracowała uczona, uważa, że to właśnie różnice w tej sekwencji pozwoliły na trzykrotne zwiększenie pojemności mózgów ówczesnych humanoidów.
Katherine Pollard przystąpiła teraz do porównanie sekwencji HAR1 w genomach kury, szympansa i człowieka i określiła zmiany w literach kodu. Okazało się, że u kur i szympansów, których drogi rozeszły się 300 milionów lat temu, różnica ogranicza się do 2 nukleotydów; a u szympansów i ludzi, których rodowody oddzieliły się 6 milionów lat temu, wzrosły do 18 różnic. Tak więc zaledwie 16 nukleotydów dało człowiekowi możliwość rozwinięta części naszego systemu nerwowego, odpowiedzialnego za wyższe funkcje poznawcze.
Lista zmienionych w niewielkim stopniu genów jest dłuższa. Zmiany w sekwencji genu FOXP2, odpowiedzialnego za precyzyjną i szybko mimikę twarzy podczas mówienia, pojawiły się 500 tysięcy lat temu i są obecne już u neandertalczyków, a od szympansów różnią się kilkoma pozycjami. Dwa nukleotydy zmieniają kodowane białko, pozostałe mogą wpływać na warunki budowy (kiedy, gdzie i jak jest ono budowane). Inny gen, związany z budową mózgu ASPM, również podlegał kilku zmianom, a jedna z nich odbyła się już po oddzieleniu linii od szympansów, odgrywając rolę w powiększeniu ludzkiego mózgu.
Program autorki odnalazł aż 201 sekwencji HAR. Co istotne, te regiony aktywności człowieka w większości nie kodowały białek ani nawet RNA, a okazały się odcinkami regulującymi działania innych genów, położonych w ich pobliżu. A ponad połowa z tych regulowanych przez HAR genów związana jest z rozwojem i działaniem mózgu.
3.01.02. … za to dłuższe
Wróćmy do pytania z poprzedniego rozdziału: dlaczego rośliny mają więcej genów niż człowiek? Pewną podpowiedzią może być porównanie liczby nukleotydów w pojedynczym genie.
Wyniki znamy dzięki badaniom dwóch zespołów naukowców: z Chin i USA. Zainteresowali się oni genomem tego zboża z powodu jego znaczenia dla wyżywienia ludzkości (jest podstawowym składnikiem diety dla niemal połowy mieszkańców Ziemi). Zespół amerykański kierowany przez Stephena Goffa z Torrey Mesa Research Institute zajął się japońskim podgatunkiem ryżu Oryza sativa japonica, chiński pod kierownictwem Jun Yu podgatunkiem indyjskim Oryza sativa indica. I chociaż porównanie wykazało, że podgatunki ryżu znacznie różnią się liczbą genów – podgatunek japoński ma ich 32-50 tys., indyjski 46-55 tys. – to nie jest to najważniejsza informacja.
Wskazówką, gdzie mogą być różnice między człowiekiem a innymi organizmami o większej liczbie genów, może być długość informacji zakodowanej w genach. Przeciętny gen ryżu zbudowany jest z 4.5 tys. nukleotydów, podczas gdy przeciętny gen człowieka – aż z 72 tys. A że białka ryżu są aż w 98% podobne do białek innych roślin (kukurydzy, pszenicy, jęczmienia), można założyć, że odmienność gatunkowa człowieka nie jest ukryta w samych białkach.
Dalszym przykładem może być długość genomu wspomnianego nicienia. Przy zbliżonej liczbie genów, długość jego genomu to zaledwie 97 mln. nukleotydów – a to zaledwie 3% naszego genomu. Bowiem geny nicieni są bardzo krótkie, przeciętna długość to 5.000 nukleotydów.
