Evoliucija be genų – įmanoma?

Jei bandytumėte surasti šiuolaikinį evoliucijos termino paaiškinimą, greičiausiai visuose juose pamatytumėte minimus genus. „American Heritage Dictionary“ žodyne kalbama apie natūralią atranką, kuri veikia „genetinę įvairovę“, „Wikipedia“ kalba apie „populiacijos genetinės medžiagos pokyčius… iš kartos į kartą“, „TalkOrigins“ kalba apie pokyčius, kurie yra paveldimi „per genetinę medžiagą“. Tačiau besibaigiant vadinamiesiems „Darvino metams“ atlikto tyrimo rezultatai rodo, jog visi šie apibrežimai gali būti per siauri.

Floridos (JAV) Scripps instituto mokslininkė Jiali Li nustatė, jog prionai – infekciniai baltymai, sukeliantys tokias ligas kaip galvijų spongiforminė encefalopatija (BSE – Bovine Spongiform Encephalopathy/Mad Cow Disease), plačiau žinomą galvijų kempinligės pavadinimu, Kroicfildo-Jakobo liga (CJD) ir Kuru liga – gali evoliucionuoti atitinkamai Darvino teorijai, neturėdami nei vienos DNR arba jai giminingos RNR

Prionai yra kenksminga baltymo PrP versija. Kaip ir visi baltymai, šis yra sudarytas iš amino rūgščių grandžių, susivijusių į sudėtingas aukštesnio lygio trimates struktūras. Prionai yra neteisingai susiformavusių PrP baltymų versija ir sutrumpintai vadinami PrP^Sc. Jų poveikis taip pat pakinta ir jie iš esmės tampa žudikais – konvertuoja normalius baltymus į anomalius savo analogus. Jie greitai kaupiasi į didelius telkinius, kurie pažeidžia ir žudo supančius audinius.

Li nustatė, jog pradžioje identiškų prionų populiacijose gali atsirasti jų variacijų. Baltymus sudarančių amino rūgčių sekos išlieka tokios pat, tačiau pasikeičia erdvinė struktūra. Tokios „mutavusios“ formos skirtingose terpėse pasižymi skirtingu gyvybingumu. Kai kurios puikiai gyvuoja smegenų audinyje; kitos klesti kitokių tipų ląstelėse. Kiekvienu atveju natūrali atranka atmeta mažiausiai prisitaikiusius tipus. Išlikę baltymai perduoda savo struktūrą „ateinančiajai kartai“, pakeisdami normalių prionų erdvinę struktūrą.

Šis procesas atitinka darvinistinės evoliucijos teorijos principus – tuos pačius principus, kurie formuoja virusų, bakterijų ir kitų gyvų sutvėrimų genetinę medžiagą. DNR atveju mutacijos pasireiškia įžymiąją dvigubą spiralę formuojančių bazių pokyčiais. Prionuose mutacijos iš esmės yra skirtingų stilių molekulinės „origami“. Abiem atvejais mutacijos yra selektyviai paveldimos ir gali lemti tokias adaptacijas kaip atsparumas vaistams. Be to, prionuose tai vyksta nesant jokios genetinės medžiagos.

Jei prionai gali evoliucionuoti, ir jei jie gali demonstruoti tokio pat tipo adaptyvinį atsparumą kaip ir bakterijos arba grybai, ar tai reiškia, jog jie yra gyvi? Li laboratorijai vadovaujantis Charles’as Weissman’as taip nemano, ir savo nuomonę grindžia tuo, kad prionų reprodukcija yra visiškai priklausomi nuo juos nešiojančio organizmo. Jiems būtini normalūs baltymai, kuriuos koduoja užkrėsto organizmo genomas, kad galėtų pagaminti dar daugiau savo pačių kopijų. „Atradimas reikšmingas tuo, kad prionai gali mutuoti ir adaptuotis prie savo aplinkos, kas jiems suteikia gyvų organizmų bruožų, tačiau to nepakanka, kad juos būtų galima klasifikuoti kaip „gyvus““.

Egzistuoja daugybė skirtingų prionų rūšių. Kiekviena jų yra atskira PrP^Scversija, besiskirianti savo aukštesniojo lygio struktūra. Naujos versijos gali atsirasti praktiškai bet kada. Nustatyti tikslią jų struktūrą yra sudėtinga, todėl jie paprastai apibūdinami pagal sukeltos ligos simptomus arba kiek laiko užtrunka simptomų pasireiškimas. Li nustatė, jog iš smegenų audinio paimti prionai skiriasi nuo tų, kurie užauginti ląstelių kultūrose laboratorinėmis sąlygomis. Prie smegenų prisitaikiusios prionų versijos sugeba infekuoti nervinį audinį ir jie atsparūs vaistui „Swainsonine“ (swa), kuris visiškai užblokuoja kitokių atmainų augimą. Laboratorijoje užauginti prionai tokių savybių neturi, tačiau jie geriau auga ląstelių kultūrose.

Kai Li perkėlė smegenų prionus į kitų ląstelių kultūras, ji nustatė, jog šie, bėgant laikui adaptavosi prie naujos aplinkos. Po 12-os baltymų kartos jie nebesiskyrė nuo prionų, prisitaikiusių gyventi ląstelių kultūroje. Jie prarado savo gebėjimą infekuoti nervinį audinį ir vietoj to išsiugdė gebėjimą greičiau augti kitų ląstelių terpėje. Šiuos prionus sugrąžinus į smegenų audinį, vėl pradėjo dominuoti prie smegenų prisitaikiusios jų formos.

Li taip pat nustatė, jog prionai evoliucijos metu išsiugdė atsparumą vaistams. Ląstelinius prionus apdorojus swa, pradžioje medikamentas žaibiškai „nukirto“ prionų populiaciją, infekuotų ląstelių proporciją sumažindamas penkis kartus – nuo 35 % iki 7 %. Tačiau kenksmingi baltymai atgimė, vėl pasiekdami 25 % infekavimo lygį. Vos po dviejų augimo ciklų, swa paveiktose ląstelėse esantys prionai išsiugdė visišką atsparumą vaistui. Nutraukus cheminį poveikį, atsparias vaistams formas palaipsniui išstūmė atsparumo neturintys baltymai.

Vėlesni eksperimentai parodė, jog atsparios atmainos jau pačioje pradžioje sudarė dalį visos populiacijos. Tačiau lėtesnis jų augimas paprastai lemia tai, jog šie prionai paprastai sudaro mažumą, tik apie 1 iš 200 prionų. Kai swa sumažino visų prionų skaičių, atsparieji baltymai pradėjo dominuoti. Li teigimu, prionų populiacijas paprastai sudaro plati tipų ir potipių įvairovė, ir visi jie pasižymi savais erdvinės struktūros sudarymo iš tos pačios amino rūgščių sekos principais. Evoliuciniai aplinkos poveikiai nulemia, kokia atmaina dominuos.

Tačiau mutacijos gali atsirasti tarsi be jokios priežasties. Net jei populiacija susideda iš vienos vienintelės atmainos (tokias eksperimentines sąlygas galima sukurti naudojant klonavimą), atsparios mutacijos išsivysto spontaniškai palyginti labai greitai. Panašu, jog prionai adaptuojasi išties greitai, ir šis faktas yra svarbi informacija mokslininkams, siekiantiems rasti naujų būdų prionų sukeltoms ligoms gydyti. Vietoj to, kad būtų naikinami patys anomalūs baltymai, galbūt racionaliau būtų pirmiausia sumažinti normalių PrP gamybą. Pirmuoju atveju problemų sukelia atsparių atmainų atsiradimas, tuo tarpu antroji taktika sumažina prionams reikalingos natūralios „darbinės medžiagos“ išteklius.