Jak małpy człekokształtne (włącznie z ludźmi) straciły swoje ogony

Dlaczego małpy człekokształtne straciły ogony? Nie wiemy tego na pewno, ale może to mieć związek z faktem, że małpy człekokształtne zamieszkują głównie ziemię, a ogon byłby przeszkodą w życiu na ziemi i poruszaniu się na czworakach z oparciem na knykciach lub na dwóch nogach. (Gibbon, uważany za małpę człekokształtną, która wcześnie oddzieliła się od wspólnego przodka z małpami, jest wyjątkiem, ponieważ żyje głównie nadrzewnie. Gibony poruszają się, skacząc z gałęzi na gałąź, ale nie mają ogonów. Jednak ta forma lokomocji, zwana brachiacją, naprawdę nie wymaga ogona do chwytania i utrzymywania równowagi.) Podejrzewam, że ponieważ małpy człekokształtne poruszające się w ten sposób nie potrzebują ogonów, posiadanie ogona jest niekorzystne: jest to energia metaboliczna marnowana na wyrostek, którego nie potrzebujesz, i taki, który może doznać kontuzji. Zatem dobór naturalny prawdopodobnie sprzyjał utracie ogona.

Tak czy inaczej, nowy artykuł w „Nature”, do którego można uzyskać dostęp poniżej (plik PDF tutaj, odnośnik na dole), obejmuje złożoną analizę genetyczną, która wskazuje jeden gen, zwany Tbxt, jako kluczowy czynnik utraty ogona. Przy pomocy inżynierii genetycznej badacze wszczepili myszom bezogonową postać genu z małp człekokształtnych i odkryli, że myszy z takim genem albo miały bardzo krótkie ogony, albo nie miały ich wcale. 

Kliknij na link, aby przeczytać:

Po pierwsze, oto filogeneza naczelnych z artykułu. Małpy człekokształtne oddzieliły się od małp (a raczej „innych małp”, ponieważ małpy człekokształtne można uznać za podgrupę małp) około 25 milionów lat temu. Bezogonowe małpy człekokształtne pokazano na niebiesko, a wspólny przodek małp i małp człekokształtnych jest pokazany około 25 milionów lat temu.

Jak znaleźć geny odpowiedzialne za utratę ogonów u małp człekokształtnych? Najlepszym sposobem, z którego skorzystali autorzy, jest najpierw poszukać u naczelnych mutacji powodujących utratę lub skrócenie ogonów, a następnie sprawdzić, czy formy tych genów różnią się u małp człekokształtnych i małp. Xia i in. przyjrzeli się 31 takim genom, ale nie znaleźli żadnych genów, których formy odpowiadały utracie ogona.

Następnie zajęli się myszami, przyglądając się kolejnym 109 genom związanych z utratą ogona lub zmniejszeniem jego długości u gryzoni. Tutaj odkryli jeden gen, Tbxt, który u wszystkich małp człekokształtnych miał niezwykłą formę, jaka nie występowała u innych naczelnych. Nawiasem mówiąc, Tbxt jest czynnikiem transkrypcyjnym: genem wytwarzającym białko, które samo kontroluje działanie innych genów, regulując to jak i czy są one transkrybowane, czyli w jaki sposób te inne geny tworzą informacyjny RNA z DNA. (Jak wiadomo, informacyjny RNA jest następnie „tłumaczony” na białka.)

Ten czynnik transkrypcyjny miał niezwykłą cechę u małp człekokształtnych, ale nie u innych naczelnych: zawierał małą sekwencję zwaną Alu, o długości około 300 par zasad, która została wstawiona do DNA genu Tbxt, ale w regionie niekodującym („intron” ) oddzielającym regiony kodujące Tbxt, które tworzą białko czynnika transkrypcyjnego. (Geny często znajdują się w segmentach kodujących, czyli eksonach, oddzielonych intronami, a eksony są łączone w jeden ciąg, zanim mRNA zacznie wytwarzać białko.)

Tylko naczelne mają elementy Alu; powstały w wyniku „wypadku” genetycznego około 55 milionów lat temu i rozprzestrzeniły się w obrębie genomów. My, ludzie, mamy w naszych genomach około miliona  elementów Alu, które czasami się przemieszczają, co nadaje im nazwę „skaczące geny”. Często biorą udział w regulacji genów, ale mogą również powodować mutacje podczas przemieszczania się, ponieważ wydają się poruszać losowo.

Oto diagram małpiego genu Tbxt po lewej stronie i ludzkiej wersji po prawej. Należy zauważyć, że w obu grupach gen ma regiony kodujące, które są łączone ze sobą podczas tworzenia mRNA w celu wytworzenia pełnego transkryptu. Proszę jednak zauważyć, że u ludzi występuje Alu, „AluY ” tkwiący w genie między egzonem 6 i 7. Otoczyłem go czerwonym kółkiem. Wydaje się, że ten wstawiony fragment DNA jest kluczem do utraty ogonów. (Zwróćcie uwagę na pobliski element Alu AluSx1 w obu grupach.)

Dlaczego autorzy wyróżnili gen Tbxt jako prawdopodobnego kandydata na utratę ogona? To jest z artykułu:

Badając niekodujące, specyficzne dla hominoidów warianty genów związanych z rozwojem ogona, rozpoznaliśmy element Alu w szóstym intronie genu TBXT hominoida (ryc. 1b). Element ten miał następującą godną uwagi kombinację cech: (1) rozkład filogenetyczny specyficzny dla hominoidów; (2) obecność genu znanego z udziału w tworzeniu ogona; oraz (3) bliskość i orientacja względem sąsiedniego elementu Alu. Po pierwsze, ten konkretny, specyficzny dla hominoidów element Alu pochodzi z podrodziny AluY, stosunkowo „młodej”, ale nie specyficznej dla podrodziny człowieka, wspólnej dla genomów hominoidów i małp Starego Świata. Co więcej, wywnioskowany czas wstawienia – biorąc pod uwagę rozkład filogenetyczny (ryc. 1a) – zbiega się z okresem ewolucyjnym, kiedy wczesne hominoidy straciły ogony. Po drugie, TBXT koduje wysoce konserwatywny czynnik transkrypcyjny kluczowy dla mezodermy i ostatecznego tworzenia endodermy podczas rozwoju embrionalnego. Heterozygotyczne mutacje w regionach kodujących ortologów TBXT u zwierząt ogoniastych, takich jak mysz, kot Manx, pies i danio pręgowany, prowadzą do braku lub zredukowanych form ogona, a mutanty homozygotyczne są zazwyczaj niezdolne do życia.

Innymi słowy, odpowiada dystrybucji ogonów lub ich brakowi, mutacje w genie wpływają na długość ogonów u myszy, insercja jest mniej więcej w tym samym wieku, co wspólny przodek małp człekokształtnych i innych naczelnych (25 milionów lat), jego funkcja przynajmniej sugeruje potencjalny wpływ na długość ogona i wreszcie mutacje genu u innych zwierząt powodują bezogonowość, łącznie z brakiem ogonów u KOTÓW MANX. Oto bezogonowy samiec Manx.

Ale prawdziwy klucz do tego, w jaki sposób ta forma genu powoduje utratę ogona, może kryć się w innej spekulacji: istnieje inny element Alu („AluSx1” na obu rysunkach), który jest wstawiony wstecznie w tym samym genie, leżąc pomiędzy regionami kodującymi (eksonem) 5 i 6. Nowy element AluY ma podobną kolejność jak stary, ale w odwrotnej orientacji. Tak więc, gdy gen Tbxt przygotowuje się do utworzenia mRNA, dwa elementy Alu łączą się w pary, co tworzy między nimi pętlę DNA, która jest po prostu składana z sekwencji mRNA.

Oto schemat takiego zdarzenia. Zwróć uwagę na pętlę utworzoną w prawym górnym rogu przez połączenie dwóch elementów Alu (czerwonego i ciemnoszarego), pętlę zawierającą funkcjonalną część genu (ekson 6 w kolorze błękitu). Kiedy powstaje transkrypt tego genu, kod z eksonu 6 jest po prostu wycinany z mRNA. W ten sposób powstaje niekompletny produkt białkowy, który może mieć wpływ na rozwój ogona.

Ale czy to działa w ten sposób?

Autorzy przeprowadzili dwa testy, aby wykazać, że w rzeczywistości usunięcie eksonu 6 u myszy powoduje skrócenie ich ogonów, a w niektórych przypadkach może je całkowicie usunąć.

Pierwszy eksperyment polegał po prostu na wstawieniu do myszy kopii brakującego eksonu 6 Tbxt (zrobili to bez opisanego powyżej skomplikowanego mechanizmu usuwania pętli). Rzeczywiście, myszy z jedną kopią tego genu brakującego eksonu wykazywały różne zmiany w ogonie, w tym brak ogonów, krótkie ogony i zagięte ogony.

Pokazuje to, że utworzenie domniemanego produktu procesu tworzenia pętli u małp człekokształtnych, czyli braku w genie Tbxt eksonu 6, może zmniejszyć ogon myszy.

Ale potem autorzy poszli dalej, ponieważ chcieli wiedzieć, czy umieszczenie obu elementów Alu, AluSx1 i AluY, u myszy w tych samych pozycjach, co u naczelnych, może spowodować zmniejszenie ogonów u myszy poprzez utworzenie pętli. Dokonali tego, stosując kombinację inżynierii genetycznej CRISPR i krzyżowania, gdyż myszy posiadające dwie kopie genu Tbxt tworzącego pętle i ekson 6 okazały się niezdolne do życia. Żyjące myszy mają tylko jedną kopię genu tworzącego pętlę.

A kiedy skonstruowali myszy posiadające jedną kopię normalnego genu Tbxt i jedną zmodyfikowaną kopię z dwoma elementami Alu, których parowanie wyeliminowało ekson 6 (pokazali to poprzez sekwencjonowanie), proszę bardzo, OTRZYMALI BEZOGONOWE MYSZY! Oto zdjęcie różnych myszy, które wyprodukowali. Dwie myszy po prawej mają pojedynczą kopię zmodyfikowanego genu z odwróconymi elementami Alu, który wytwarza transkrypt z brakującym eksonem 6. To myszy Manx! Nie mają ogonów! 

To skomplikowane, ale sprytne połączenie badań i inżynierii genetycznej dość mocno sugeruje, że utrata ogonów u małp człekokształtnych wiąże się z utrwaleniem zmutowanego genu Tbxt, który redukuje ogony poprzez wycinanie eksonu. Nie jest to oczywiście pewne, ale dane na wiele sposobów potwierdzają tę tezę.

Czy jest to zatem prawdopodobna mutacja, która spowodowała, że w trakcie ewolucji małpy człekokształtne utraciły ogony (mamy tylko mały ogon („kość ogonową”), składający się z 3-5 zrośniętych kręgów ogonowych, jak pokazano poniżej na czerwono na drugim zdjęciu (oba pochodzą z Wikipedii)

Nasz ogon na czerwono:

Jeśli gen ten rzeczywiście był zaangażowany w ewolucyjną utratę ogonów u małp człekokształtnych, stanowiłby formę „makromutacji”: zmiany charakteru o dużym skutku w wyniku pojedynczej mutacji. Ale z pewnością w grę wchodziło także więcej genów. Po pierwsze, nawet pojedyncza kopia tego genu powoduje wady cewy nerwowej, zatem jakakolwiek zaleta mniejszego ogona musiałaby przeważyć nad wadą związaną z możliwością powstania wadliwego zarodka lub dorosłego osobnika. Ponadto, nawet jeśli ten gen jest odpowiedzialny za brakujące lub małe ogony małp człekokształtnych, prawdopodobnie istnieją inne geny, które wyewoluowały w celu dalszego zmniejszenia ogona i złagodzenia wszelkich problemów z cewą nerwową, które mogłyby się pojawić. (Ewolucja poprzez dobór zawsze stanowi równowagę pomiędzy korzystnymi i szkodliwymi skutkami: bycie dwunożnym było dla nas korzystne, ale wiązało się to z nieprzyjemnymi skutkami ubocznymi bólów pleców i przepuklin).

Bardzo podoba mi się ta publikacja i nie mam do niej żadnych zastrzeżeń. Autorzy zrobili wszystko, co mogli, aby przetestować swoją hipotezę, która dobrze wypadła w analizie filogenetycznej, czasowej i genetycznej. Nie możemy oczywiście być całkowicie pewni, że wprowadzenie elementu AluY pomogło ogoniastym przodkom małp człekokształtnych stracić ogony, ale ja na to stawiam.

Ponadto atrakcyjne w tym artykule jest to, że genetyczne podłoże utraty ogona było całkowicie nieprzewidywalne: funkcja genu (i jego fenotyp także) została zmieniona po prostu przez wstawienie „skaczącego genu” do niekodującej części genu funkcjonalnego. gen. Utworzyło to pętlę, która spowodowała przecięcie genu, co ostatecznie wpłynęło na zanik ogona. Małpy z mniejszymi ogonami prawdopodobnie miały przewagę reprodukcyjną nad swoimi współbraćmi z większymi ogonami, ale genetyka tego jest złożona, dziwaczna i cudowna.

h/t: Matthew

Reference: Xia, B., Zhang, W., Zhao, G. et al. On the genetic basis of tail-loss evolution in humans and apes. Nature 626, 1042–1048

Link do oryginału: https://whyevolutionistrue.com/2024/03/01/how-apes-including-humans-lost-their-tails/

Why Evolution Is True, 1 marca 2024

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Jerry A. Coyne


Emerytowany profesor na wydziale ekologii i ewolucji University of Chicago, jego książka "Why Evolution is True" (Polskie wydanie: "Ewolucja jest faktem", Prószyński i Ska, 2009r.) została przełożona na kilkanaście języków, a przez Richarda Dawkinsa jest oceniana jako najlepsza książka o ewolucji.  Jerry Coyne jest jednym z najlepszych na świecie specjalistów od specjacji, rozdzielania się gatunków. Jest również jednym ze znanych "nowych ateistów" i autorem książki "Faith vs Fakt" (wydanej również po polsku przez wydawnictwo "Stapis)". Jest wielkim miłośnikiem kotów i osobistym przyjacielem redaktor naczelnej.