Wojna domowa w ludzkim genomie

Ludzki genom jest wciągnięty w podobny ewolucyjny wyścig zbrojeń… przeciwko samemu sobie.

Przeciwnikami są skaczące geny zwane retrotranspozonami, które potrafią skakać po genomie. Podnoszą swoją liczbę przez kopiowanie się i wklejanie duplikatów w nowe miejsca. Ten ruchliwy styl życie jest tak udany, że retrotranspozony stanowią ponad 40 procent ludzkiego genomu. Niektóre osiedliły się i są już tylko nieruchomymi cieniem swoich dawnych „ja”. Inne nadal przenoszą się z miejsca na miejsce.

Jeśli kopie lądują we właściwym miejscu, mogą działać jak glina do budowy nowych adaptacji. Jeśli lądują w złym miejscu, co jest bardziej prawdopodobne, mogą spowodować choroby przez zakłócenie działania ważnych genów. Genomy mają więc sposoby trzymania tych wędrujących sekwencji pod kontrolą. Jednym z tych sposobów jest gen o nazwie KAP1. Jest to rodzaj środka uspokajającego – przyczepia się do retrotranspozonów i powstrzymuje ich aktywację.

KAP1 działa na różne sposoby w różnych gatunkach, obierając za cel te retrotraspozony, które są aktywne w genomie właściciela. Nasz KAP1 nie powstrzymałby skaczących genów myszy i odwrotnie. Niektórzy naukowcy sądzą, że tę specyficzność powoduje inna grupa genów zwanych KZNF. Mówią one KAP1, dokąd iść w poszukiwaniu specyficznych retrotranspozonów i przyklejać się do nich. Są jak patrole policyjne, które patrolują dzielnice, rozglądając się za przestępcami i przez radio wzywają pomoc. Każdy KZNF wybiera za cel inny rodzaj retrotranspozonów i różne gatunki mają ich własne zestawy.

A przynajmniej tak ten proces wygląda w teorii. W rzeczywistości trudno było potwierdzić tę koncepcję, częściowo dlatego, że policjanci tak dobrze wykonują swoje zadanie, iż trudno zobaczyć skaczący gen w akcji.

Frank Jacobs i David Greenberg z University of California, Santa Cruz rozwiązali ten problem  przez wstawienie retrotranspozonów do komórki myszy – mniej pilnowanego przez policję środowiska. Wypełnili mysie komórki macierzyste jednym ludzkim chromosomem. Myszy są zaadaptowane do kontrolowania własnych retrotranspozonów i ignorują nasze. Skaczące geny na ludzkim chromosomie, uwolnione od zwykłych ograniczeń, zaczęły rozprzestrzeniać się podobnie jak inwazyjne gatunki w amoku na wyspie, gdzie nie ma naturalnych drapieżników. Teraz zespół badaczy mógł zestawiać różne ludzkie KZNF z tymi niespokojnymi genami, żeby zobaczyć, czy któryś z nich potrafi je opanować.

Odkryli, że potrafiły to robić dwa z nich – ZNF91 i ZNF 93. Każdy z nich reprezentuje dużą klasę retrotraspozonów – odpowiednio SVA i L1 – które nadal skaczą dzisiaj po ludzkim genomie.

ZNF 91 i ZNF93 znajdują się tylko u naczelnych, ale bardzo zmieniły się także na zewnątrz naszej wąskiej linii rodowej. Na przykład, ludzka wersja ZNF91 ma cechy de luxe, które mają także goryle, ale nie mają ich małpy zwierzokształtne. Dla zrozumienia wartości tych zmian Ngan Nguyen i Benedict Paten wzięli nowoczesne geny i zaczęli się cofać, rekonstruując ich wersje u przodków na różnych etapach ewolucji.

Odkryli, że między 8 a 12 milionów lat temu ZNF91 zyskał cechy, które radykalnie poprawiły jego zdolność utrzymywania porządku wśród retrotranspozonów. Jest to punkt w ewolucji naczelnych przed rozdzieleniem się ludzi od goryli i szympansów. ZNF93 przeszedł podobne radykalne zmiany między 12 a 18 milionów lat temu, zanim my (i inne małpy człekokształtne) oddzieliliśmy się od orangutanów.

Te wyniki sugerują, że KZNF małp człekokształtnych ewoluowały szybko, żeby opanować skaczące geny. Istotnie, KZNF są jedną z najszybciej rosnących rodzin genów u naczelnych. Mamy ich około 400, a około 170 z nich to innowacje należące wyłącznie do naczelnych. Ta powiększona siła policyjna odzwierciedla trwający genomowy wyścig zbrojeń.

Skaczące geny zaś, zaczęły również walczyć. Na przykład, zespół odkrył, że ZNF93 tłumi geny L1 przez rozpoznawanie krótkiej sekwencji sygnaturowej, którą ma większość z nich. Niektóre L1, szczególnie te, które wyewoluowały stosunkowo niedawno, całkowicie straciły jednak tę sygnaturę. Mogą skakać niezauważone.

Brakująca sekwencja normalnie  powoduje, że skaczące geny skaczą lepiej. Ten silnik startowy skończył jednak jako blokada na koło, ponieważ ZNF93 wyewoluował do rozpoznawania go. Niektóre L1 straciły więc ten silnik startowy. Skaczą mniej skutecznie, ale przynajmniej nadal mogą skakać.

Jest to klasyczny ewolucyjny wyścig zbrojeń. Gospodarz wykonuje pchnięcie, pasożyt zasłania się gardą i pojedynek trwa. W odróżnieniu jednak od bardziej znanych walk między wężami i ropuchami lub gospodarzami i wirusami, to jest przypadek, gdzie prowadzimy wojnę przeciwko własnemu DNA.

Jest tu poczucie bezsensu. Duża część naszego genomu wydaje się zajęta bezsensownym w efekcie pojedynkiem, w którym żadna ze stron nie może ani zdobyć, ani ustąpić żadnego terytorium. Te walki jednak nie są całkiem tak bezowocne, jak mogą się wydawać.

Zespół odkrył, że KZNF częściowo tłumią także geny wokół retrotranspozonu. Kiedy policjanci znajdują swój cel, mówią również przechodniom, by padli na ziemię. Jest to ważne, ponieważ poważnie wpływa to na aktywność wielu ludzkich genów, nie tylko zaś retrotranspozonów. Znaczy to, że KZNF mogą z czasem być używane do kontrolowania genów, obok których lądują skaczące geny. („Przepraszam, panie oficerze, ale kiedy pan już związuje podejrzanego, czy mógłby pan także uratować mojego kota?”) Wyścig zbrojeń mógł spowodować powstanie bardziej skomplikowanych sieci genów i może również bardziej skomplikowanych organizmów i zachowań.

Źródło: Jacobs, Greenberg, Nguyen, Haeussler, Ewing, Katzman, Paten, Salama & Haussler. 2014. An evolutionary arms race betweenKRAB zinc-finger genes ZNF91/93 and SVA/L1 retrotransposons. Nature http://dx.doi.org/10.1038/nature13760

Więcej o skaczących genach

Humans Restrain Jumping DNA That Chimps Allow To Run Free

Under three layers of junk, the secret to a fatal brain disease

How a quarter of the cow genome came from snakes

Flesh-Eating Plant Cleaned Junk From Its Minimalist Genome

The Human genome is in stalemate in the war against itself

Not Exactly Rocket Science, 28 września 2014

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska