Stulbinantis tyrimas. Pagaliau aišku, kodėl žmonės neturi uodegos

Vasario 28 d. žurnale „Nature“ paskelbtame naujame tyrime mokslininkai nustatė unikalią DNR mutaciją, dėl kurios mūsų protėviai neteko uodegų. Ji yra gene TBXT, kuris yra susijęs su uodeguotų gyvūnų uodegos ilgiu.

Įspūdingas atradimas prasidėjo, kai pirmasis tyrimo autorius Bo Xia – anksčiau Niujorko universiteto (JAV) magistrantas, o dabar Broado instituto vyriausiasis tyrėjas – susižeidė uodegikaulį ir taip susidomėjo šios struktūros kilme.

„Bo yra tikras genijus, nes jis pažvelgė į kažką, į ką prieš tai turėjo pažvelgti bent jau tūkstančiai žmonių – bet jis pamatė kažką kitokio“, – sako Niujorko universiteto Langone Health taikomosios bioinformatikos laboratorijos mokslinis direktorius bei vyriausiasis tyrimo autorius Itai Yanai.

Šokinėjantys genai ir „tamsioji materija“

Per milijonus metų DNR pokyčiai leidžia gyvūnams evoliucionuoti. Kai kurie pokyčiai susiję tik su viena DNR vingiuotųjų kopėčių pakopa, tačiau kiti yra sudėtingesni.

Vadinamieji Alu elementai – tai pasikartojančios DNR sekos, iš kurių gali susidaryti RNR (molekulinės DNR giminaitės) gabalėliai, kurie gali virsti atgal į DNR ir atsitiktinai įsiterpti į genomą. Šie „transponuojamieji elementai“ – arba šokinėjantys genai – gali sutrikdyti arba sustiprinti įterpto geno funkciją. Šio konkretaus tipo šokinėjantys genai egzistuoja tik tarp primatų ir jau milijonus metų lemia genetinę įvairovę.

Šiame naujausiame tyrime mokslininkai TBXT gene rado du Alu elementus, kurie yra žmogbeždžionėse – bet ne kitose beždžionėse. Šie elementai yra ne toje geno dalyje, kuri koduoja baltymus – egzonuose – o intronuose. Intronai yra DNR sekos, esančios aplink egzonus, kurios vadinamos genomo „tamsiąja medžiaga“ – nes istoriškai buvo manoma, kad jos neatlieka jokios funkcijos. Prieš RNR molekulę paverčiant baltymu, jie pašalinami iš sekos, arba „subrandinami“ (angl. splicing).

Tačiau šiuo atveju, kai ląstelės RNR generavimui naudoja TBXT geną, dėl pasikartojančio Alu sekų pobūdžio jos susijungia. Ši sudėtinga struktūra vis tiek „išpjaunama“ iš didesnės RNR molekulės – tačiau kartu su ja „išpjaunamas“ visas egzonas, taip pakeičiant galutinį gauto baltymo kodą ir struktūrą.

„Atlikome daug kitų genų, susijusių su uodegos ilgiu ar morfologija, analizių. Ir, žinoma, yra skirtumų, bet tai buvo tarsi žaibas“, – sako Niujorko universiteto „Langone Health“ Sistemų genetikos instituto direktorius ir vyriausiasis tyrimo autorius Jeffas Boeke. – Ir tai buvo nekoduojanti DNR [intronai], kuri 100 proc. išliko visose žmogbeždžionėse ir 100 proc. jos nebuvo visose kitose beždžionėse.“

Tyrėjai patvirtino, kad žmogaus ląstelėse TBXT gene atsiranda tos pačios Alu sekos, dėl kurių pašalinamas tas pats egzonas. Jie taip pat nustatė, kad gimininga RNR molekulė gali būti įvairiai „pjaustoma“, kad iš to paties geno susidarytų keli baltymai. Palyginimui, pelės gamina tik vieną baltymo versiją, todėl atrodo, kad abiejų versijų turėjimas užkerta kelią uodegų susidarymui, išvadą daro tyrėjų komanda.

Toks skirtingų baltymų gamybos iš to paties geno būdas vadinamas „alternatyviuoju brandinimu“ ir yra viena iš priežasčių, kodėl žmogaus fiziologija yra tokia sudėtinga. Tačiau tai pirmas kartas, kai Alu elementai sukelia alternatyvųjį brendimą.

„Dažnai buvo manoma, kad tokios mutacijos evoliucijoje turi ribotą reikšmę. Bet čia autoriai įrodo, kad tokia mutacija turėjo didžiulę įtaką mūsų rūšiai, – sako tyrime nedalyvavęs Kalifornijos universiteto Los Andžele ekologijos ir evoliucinės biologijos bei žmogaus genetikos profesorius Kirkas Lohmuelleris. – Įdomu pagalvoti, kiek kitų sudėtingų mutacijų, panašių į šią, galėjo lemti svarbius žmogaus evoliucijos bruožus.“

Dvikojiškumas ir apsigimimai

Mokslininkai eksperimentavo įterpdami tuos pačius šokinėjančius genus į peles ir nustatė, kad pelės netenka uodegų.

Pažymėtina, kad evoliucijos biologai kelia hipotezę, jog uodegos praradimas leido žmonėms tapti dvikojais, rašoma 2015 m. apžvalgoje.

„Mūsiškis yra vienintelis straipsnis, kuriame pateiktas tikėtinas scenarijus, kaip tai įvyko“, – sako I. Yanai.

„Dabar mes vaikštome ant dviejų kojų. Ir išsivystėme dideles smegenis bei valdome technologijas, – aiškina jis. – Ir visa tai tik dėl savanaudiško elemento, įšokusio į geno introną. Man tai atrodo stulbinamai.“

Įdomu tai, kad tyrėjai nustatė, jog uodegos netekusioms pelėms dažniau pasireiškė spina bifida – įgimtas defektas, pažeidžiantis nervinį vamzdelį, embriono struktūrą, iš kurios susiformuoja nugaros ir galvos smegenys. JAV Ligų kontrolės ir prevencijos centro duomenimis, ši liga pasireiškia maždaug vienam iš 1000 gimusių žmonių.

„Gali būti, kad dėl TBXT trūkumo trumpėja uodega, tačiau dėl to yra didesnė tikimybė, kad nervinis audinys nebus visiškai uždarytas, t. y. nerviniame vamzdyje liks skylė“, – sako J. Boeke.

„Niekas niekada nepagalvojo, kad, vadovaudamiesi savo smalsumu, mes priversime pelę prarasti uodegą dėl tos pačios mutacijos... ir tada pamatysime, kad pelė taip pat turi nervinio vamzdelio defektą“, – priduria I. Yanai.

Tokio alternatyvaus brendimo tipo atradimas greičiausiai turės įtakos visai genominės analizės sričiai ateityje.

„Manau, kad jų bus daugiau“, – apie šiuos įtakingus Alu elementus sako J. Boeke. Todėl, priduria jis, tikriausiai ten yra alternatyviai subrendusių baltymų, kurie iš tikrųjų yra tam tikrų evoliucinių mūsų savybių pokyčių priežastis.

Parengta pagal „Live Science“.