Prirodna selekcija na molekularnoj razini Understand article

Prevoditelj Petra Korać. Znamo da nam specifične sekvence gena mogu pomoći u preživljavanju u našem okolišu – to je osnova evolucije. Ali pokazati koje sekvence su korisne i kako nam pomažu nije lako – posebno u divljim populacijama. Jarek Bryk opisuje neka važna, novija…

Image courtesy of oversnap /
iStockphoto

Kad su ljudi prvi puta napustili Afriku, prije nekih 150 000 godina, smještavali se u dolinama Tigrisa i Eufrata, plovili između otoka Indonezije i pješačili preko Beringa ravno do Amerike, susreli su se s mnogim izazovima. Dolazeći iz vrućih i suhih afričkih savana, populacija se morala prilagoditi lokalnim uvjetima pa se kroz generacije prema tome promijenila i njhova fiziologaija i izgled (Harris Meyer, 2008). Koža ljudi postala je svjetlija nakon života u regijama s manje sunca (Lamason et al., 2005). Populacije čiji su članovi pili mlijeko domaćih životinja zadržavale su sposobnost probavljanja laktoze i u odrasloj dobi, svojstvo koje su populacije u čijoj prehrani nije bilo mlijeka gubile ubrzo nakon djetinjstva (Tishkoff et al., 2007). Populacije koje su jele hranu bogatu škrobom proizvodile su u slini više amilaze, enzima koji pomaže razgraditi škrob (Perry et al., 2007).

Karta ljudskih migracija.jpg. Karta svijeta s ljudskim migracijama, Sjeverni pol u centru. Afrika, početna točka migracije je gore lijevo, a Južna Amerika potpuno desno. Putanje migracija temelje se na istraživanjima mitohondrijskih (nasljeđivanih po majci)DNA.
Brojevi predstavljaju godine prije tisuću godina.
Plava linija predstavlja područja prekrivena ledom ili tundrama za vrijeme posljednjeg ledenog doba. Slova su haplogrupe mitohondrijeske DNA (čista majčinska linija); haplogrupe se mogu koristiti za definiranje genetičkih populacija i često su geografski orijentirane.
Na primjer, ovo su česte podjele za mtDNA haplogrupe:
Afrika: L, L1, L2, L3, L3
Bliski istok: J, N
Južna Europa: J, K
OpćenitoEuropa: H, V
Sjeverna Europa: T, U, X
Azija: A, B, C, D, E, F, G (pažnja: M sadržava C, D, E, i G)
Američki starosjedioci: A, B, C, D, i ponekad X
Kliknuti na sliku za povećanje

Korištenje slike dopustio/la Avsa; izvor slike: Wikimedia Commons

Smatra se da su barem neke od ovih promjena posljedica pozitivne selekcije (pogledajte Pojmovnikza sve nazive u kurzivu). To ukazuje da su u određenom okolišu (selekciijski pritisak) u prošlosti jedinke koje su imale povoljniju sekvencu DNA preživjele i ostavile više potomstva nego one koje su imale drugačiju, manje povoljnu sekvencu. Danas, koristeći genomske sekvence mnogih vrsta, uključujući ljude i njihove evolucijski nabliže srodnike, znanstvenici mogu usporediti svojstva i sekvence DNA iz populacija ili vrsta s različitim načinima života i iz različitih okoliša kako bi identificirali koje su sekvence najvjerojatnije imale ulogu u prilagodbi. Zauzvrat, ovo omogućava istraživačima da istraže funkciju sekvenci DNA i njihovu potencijalnu adaptivnu vrijednost za pojedini organizam.

Korištenje slike dopustio/la
JBryson / iStockphoto

Neki od gena za koje se zna da utječu na boju kože kod ljudi, pokazuju specifični geografski obrazac varijacije sekvence; konkretnije, usporedba sekvenci europskih i afričkih populacija ukazuje na to da je za varijacije u boji kože odgovorno pozitivna selekcija. Svjetlije nijanse kože pozitivno koreliraju s povećanjem zemljopisne širine, a za objašnjenje potencijalne prednosti postoji nekoliko predloženih hipoteza.

Jedna hipoteza, koja kaže da je svijetla koža pogodnija za proizvodnju vitamina D, ima uporište u opaženoj pojavi da ljudi tamnije kože koji žive na većim zemljopisnim širinama imaju deficijencije vitamina D. K tome, svjetlija koža je podložnija štetnim efektima sunčevih zraka: veća izloženost suncu korelira s povišenom incidencijom raka kože u blijeđih ljudi. Dakle, blijeda koža u ljudskim populacijama koje žive na višim zemljopisim širinama može biti evolucijski kompromis između zaštite od karcinogenog učinka sunčevih zraka i omogućavanja dovoljne proizvodnje esencijalnog vitamina.

Slika eritrocita srpaste
anemije i ostalih eritrocita
dobivena skenirajućim
elektronskim mikroskopom

Korištenje slike dopustio/la EM
Unit, UCL Medical School, Royal
Free Campus / Wellcome Images

Iako je ovo čvrsta hipoteza, dokazi na kojima se temelji su indirektni. Direktan dokaz adaptivne vrijednosti ovog svojstva iziskivao bi mjerenje, o tome pokazuju li na višim zemljopisinim širinama jedinke sa svjetlijom kožom poboljšano preživljenje i reprodukciju. Takvi dokazi su u našoj vrsti jako teški: eksperimenti preživljenja (u kojima su jedinke s različitim svojstvima izložene nekom okolišu da se vidi koja će preživjeti) ne mogu biti rađeni na ljudima, a naše dugo generacijsko vrijeme otežava istraživanje različitosti u stopi razmnožavanja. Okolnosti u kojima je moguće promatrati adaptivnu vrijednost nekog svostva u ljudi su time jako ograničene – ali postoje.

Komarac trbuha punog krvi.
Ova vrsta, Anopheles
stephensi
, je kukac
prijenosnik koji prenosi
malariju u Indiji i Pakistanu

Korištenje slike dopustio/la
Hugh Sturrock / Wellcome
Images

Jedan takav primjer uključuje dvije bolesti: srpastu anemiju i malariju. Gen uključen u razvoj srpaste anemije ima dvije varijante, ili alela: ‘normalni’ alel i alel srpaste anemije. Pojedinci koji imaju oba alela srpaste anemije imaju srpastu anemiju sa jako izraženim simptomima, dok oni koji imaju jedan alel srapste anemije i jedan normalan alel ne pokazuju tako jake simptome. Ipak, podaci o smrtnosti pokazuju da bi alel srpaste anemije mogao biti prednost: u populacijama izloženim parazitu malarije pojedinci koji nose jedan alel srpaste anemije i jedan normalan alel u većem će broju preživjeti od onih koji nose oba normlna alela jer parazit (Plasmodium falciparum) treba zdrave eritrocite kako bi mogao napasti i razmnožavati se. Zbog toga se učestalost alela koji uzrokuje srpastu anemiju povećava u grupama izloženim malariji – taj je alel adaptivan u ovom okolišu.

 

Usporedba rasprostranjenosti malarije (lijevo) i srpaste anemije (desno) u Africi.
Korištenje slike dopustio/la Anthony Allison; image source: Wikimedia Commons

Drugi primjer koji pokazuje adaptivnu vrijednost ljudskih svojstava odnosi se na fragment kromosoma 17, za kojeg je poznato da je do njegove inverzije došlo kod naših predaka prije više od tri miliona godina (Stefansson et al., 2005). Činjenica da se ta varijanta raširila u europskim populacijama ukazuje da je bila odabrana pozitivnom selekcijom – donijela je prednost pojedincima koji je nose. Genotipiziranjem gotovo 30 000 Islanđana, znanstvenici koji su istraživali tu tezu mogli su odrediti da su kroz zadnjih 80 godina pojedinci koji su imali tu varijantu sekvence imali u prosjeku 3.2% više potomstva po generaciji od pojedinaca s normalnom sekvencom – moguće objašnjenje na koji se način ta varijanta proširila tako brzo.

Iako ova dva primjera jasno pokazuju nedavna djelovanja pozitivne selekcije u ljudi, molekularni mehanizmi kojima varijante sekvenci dobivaju svoje prednosti nisu dobro poznati i moraju biti istraženi od slučaja do slučaja. Kako bi se razjasnila uzročna veza među potencijalno adaptivnim sekvencama DNA i fitnesa, znanstvenici se okreću organizmima s kojima je lakše eksperimentirati nego s ljudima.

Na primjer, boja krzna Oldfield miša, Peromyscus polionotus, podudara se s bojom tla staništa omogućavajući kamuflažu. Miševi koji žive na blijedom pijesku plaža Floride puno su svjetliji od miševa iste vrste koji žive u unutrašnjosti. Adaptivna vrijednost ovog svojstva dokazana je eksperimentalno prije više od 30 godina: sove su rijeđe pojele miševe s krznom koje je odgovaralo boji tla nego one druge, koji su imali manju kamuflažu. Ipak, znanstvenici su tek nedavno identificirali genski lokus koji stoji iza ovog adaptivnog svojstva (Hoekstra et al., 2006): varijacija u boji krzna uvelike ovisi o različitim alelima gena McR1. Protein kojeg kodira taj gen služi kao biokemijski prekidač koji vodi u proizvodnju eumelanina, tamnog pigmenta kože ili feomelanina, svijetlog pigmenta. Različiti aleli gena McR1 aktiviraju put nastanka u različitim količinama, potičući proizvodnju jednog ili drugog pigmenta.

Slika nakupine bakterije
Staphylococcus aureus,
otporne na meticilin
dobivena skenirajućim
elektronskim mikroskopom

Korištenje slike dopustio/la
Annie Cavanagh / Wellcome
Images

Drugi primjer dokazane uzročne veze uključuje Staphylococcus aureus, bakteriju koja može uzrokovati različite bolesti uključujući upalu pluća i upalu srčanog zalistka. U rijetko prirodnom eksperimentu, pacijent s čestim infekcijama baklterijom S. aureus liječen je tri mjeseca vankomicinom, jednim od rijetkih antibiotika koji je još uvijek uspješan kod infekcija S. aureusom. Prije i za vrijeme intervala liječenja znanstvenici su sakupljali uzorke (izolate) patogena i sekvencirali cijeli genom početnog i završnog izolata. Kada su usporedili tri miliona parova baza (‘slova’ genskog koda) od kojih se sastoji bakterijska DNA, našli su svega 35 različitih parova baza između početnog i završnog izolata.

Parcijalnim sekvenciranjem izolata uzetih kroz tijek liječenja, znanstvenici su tada otkrili redoslijed kojim su se te promjene morale dogoditi. Testiranjem otpornosti bakterije na vankomicin in vitro iz različitih izolata, mogli su povezati pojedine genske promjene s učinkom na rast bakterije i odgovorom pacijenta na terapiju. Na primjer, prvi i drugi izolat bakterije razlikovali su se u šest nukleotidnih supstitucija (promjena u ‘slovima’) u dva gena. Tih šest mutacija su same po sebi jasno omogućavale prednost: povećale su otpornost bakterije na vankomincin 4 puta, omogućavajući tim bakterijima koje ih nose opstanak i bolje razmnožavanje, a time i to da su postajale sve uobičajenije u tijelu pacijenta. Dvadeset i šest idućih mutacija kroz naredne tjedne terapije udvostručile su otpornost, uspješno stvarajući soj bakterije S. aureus otporan na vankomicin (Mwangi et al., 2007).

Ukratko, istraživanje molekularne osnove adaptivne evolucije u divljim populacijama nije lako. Izazovi uključuju definiranje sila selekcije, identificiranje koje sekvence DNA su povezane s kojim svojstvima, mjerenje prilagođenosti pojedinca i nalaženje objašnjenja kroz mehanizame kojima promjene u sekvenci utječu na svojstva prilagodbe. Ipak, korištenjem modelnih organizama i nedavnim razvojem tehnologije ovakva istraživanja sada postaju izvediva povećavajući naše razumijevanje o promjenama na razini gena koje omogućavaju organizmima prilagodbu njihovom okolišu.

 

Pojmovnik

Adaptivna vrijednost: svojstvo ima adaptivnu vrijednost ukoliko jedinki koje ga nosi omogućava bolje preživljenje i reprodukciju od jedinki koje nemaju to svojstvo. Formalnije, svojstvo se smatra adaptivnim ako povećava fitnes.

Alel: varijanta gena.

Fitnes: pojam koji je teško definirati, a koji dolazi iz evolucijske biologije i populacijske genetike; opisuje prosječan broj potomaka kroz jednu generaciju koji su povezani s jednim genotipom u usporedbi s drugim genotipom u populaciji. Dakle genotipovi koji stvaraju više potomstva imaju veću prednost. Za dobar pregled pojmova fitnes i genotip pogledajte Wikipediuw1.

Genom: ukupna DNA jednog organizma. Obično se podrazumijeva da je riječ o DNA jezgre, a ne mitohondrija ili plastida. Za dodatne informacije pogledajte ‘Što je genom’ (‘What is a genome’) na mrežnim stranicama Medicinske nacionale knjižnice SAD-aw2.

Pozitivna selekcija:prirodna selekcija je jedan od mehanizama evolucije; opisuje različit opstanak i reprodukciju jedinki u danom okolišu. Prirodna selekcija naziva se ‘pozitivnom’ kada odabire određena svojstva koja pomažu jedinkama koje ih nose da opstanu i razmnožavaju se bolje od ostalih.

Selekcijski pritisak: svojstvo okoliša (npr. temperatura, prisustvo parazita; predatorstva ili agresije članova iste vrste) koje uvjetuje različito preživljenje i reprodukciju jedinki.

Svojstvo: jedna ili više varijanta karakteristike nekog organizma (npr. visina; otpornost na antibiotike; mogućnost da se vide boje ili zarola jezik).

 

Acknowledgements

 

The author is grateful to David Hughes, Mehmet Somel and Ania Lorenc for helpful comments on the article.

Download

Download this article as a PDF

References

Web References

Resources

Author(s)

Jarek Bryk je postdoc istraživač na Institutu Max Planck za Evolucijsku Biologiju u Plönu, Njemčka, gdje nastoji pronaći i analizirati gene odgovorne za adaptivna svojstva kod miševa.


Review

Članak opisuje mnoštvo interesantnih primjera evolucijkih prilagodbi na molekularnoj razini kod ljudi. Istaknute su poteškoće vezane za razjašnjavanje uzročnih veza adaptivnih sekvenci DNA i prilagodbe jedinki kod ljudi, kao i potreba za korištenjem drugih organizama za eksprerimente.

Članaka daje izvrstan materijal za razumijevanje pitanja koja se fokusiraju na shvaćanju prirodne selekcije i fitnesa kod ljudi i eksperimentalnih organizama. Na primjer:

  1. Objašnjenje procesa uključenih u prirodnu selekciju.
  2. Što podrazumijevamo pod terminom ‘fitnes’?
  3. Objašnjenje kako alel srpaste anemije daje selektivnu prednost u nekim ljudskim populacijama.
  4. Koji problemi postoje vezano za uspostavljanje uzročnih veza između adaptivne sekvence DNA i fitnesa kod ljudi?
  5. Izraditi dijagram toka za objašnjenje adaptivne vrijednosti boje krzna Oldfield miša.
  6. Kako su znanstvenici uspjeli povezati promjene gena bakterije Staphylococcus aureus s rastom bakterije i odgovorom na terapiju antibiotikom?

Ovaj članak isto tako omogućva učenicima da istraže vezu između DNA, sekvence amniokiselina, strukture i funkcije proteina kod srpaste anemije. Tekst je prikladan za usmjeravanje diskusije u učionici o metodama i problemima vezanim za istraživanje molekularne osnove evolucijskih odnosa i etiku testiranja gena u ljudskim populacijama. Mogu se organizirati interdisciplinarna istraživanja vezana za povijest znanosti i evolucijsku populacijsku genetiku.


Mary Brenan, Velika Britanija




License

CC-BY-NC-ND