Skąd się biorą białka?

Ewolucyjną tajemnicę pochodzenia białek „z niczego”, a dokładnie z „milczącego DNA” rozszyfrowali uczeni niemieccy i amerykańscy. Wszystko dzięki muszce owocowej i jej genomowi, który służy w nauce już od ponad 100 lat.

Wydawałoby się, że odpowiedź na tytułowe pytanie jest szkolnie banalna. I przypomina nieco otwieranie matrioszek, gdzie to mniejsza drewniana laleczka siedzi wewnątrz większej. Białka, czyli długie łańcuchy zbudowane z aminokwasów, biorą się z komórek, gdzie powstają w procesie translacji. Ma on miejsce, gdy zakodowana w mRNA informacja (kolejność trójek nukleotydów) tłumaczona jest na kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym.

A skąd owo mRNA się bierze? No jak to skąd? Z genów, które są zmagazynowane w formie DNA i przepisywane na sekwencje RNA, by dać owe białka. Wszystko to bardzo pięknie, ale białka są bardzo przecież skomplikowane, wielkie, poskręcane niczym węzły w fantastyczne struktury 3D, tak niesamowicie precyzyjnie służą swym funkcjom, to skąd się takie wzięły?

Oczywiście pytanie dotyczy po pierwsze pradawnej ewolucji, kiedy to, jak opisywałam już wcześniej tutaj – „w pierwotnym oceanie”, czy raczej sezonowo przesychającym bajorze, musiała te 4 miliardy lat temu zacząć powstawać skomplikowana materia organiczna, a z niej pierwsze komórki żywe. Dotyczy jednak całej ewolucji świata żywego: od „świata RNA”, gdzie informacja genetyczna i aktywność enzymatyczna były zakodowane w tej jednej, cudownej, ale jakże nietrwałej cząsteczce, aż po najbliższe nam procesy ewolucyjne. Gdy dziś powstają nowe gatunki i gdy my jako nowy gatunek powstawaliśmy te 100 tysięcy lat temu.

Ciężko jest nie być kreacjonistą, gdy się patrzy na „magiczny” świat białek. No bo jak mogły takie skomplikowane sekwencje aminokwasowe powstać? Na ogół odpowiedź była dwutorowa. Wskazywano na rozliczne duplikacje genów, czyli powielanie konkretnych sekwencji DNA, tak że jedna mogła nadal służyć kodowaniu jakiegoś konkretnego białka, druga zaś akumulować mutacje i podlegać selekcji, aż zacznie dawać jakiś sensowny ewolucyjnie przywilej, dający przewagę.

Tak na przykład powstało nasze widzenie trójbarwne (oparte o trzy geny i trzy białka fotopsyn „wyłapujące” światło o określonej długości fali, zatem określonej barwie czerwonej, zielonej i niebieskiej). Małpy widzą dwukolorowo i w toku ewolucji naczelnych jeden z genów uległ duplikacji i stopniowym mutacjom, co pozwoliło mu kodować białko odbierające kolejny kolor.

Ewolucyjny pomysł

Kolejny dobry ewolucyjny pomysł to tworzenie białek złożonych z prostych zakodowanych domen. Na przykład taka struktura zwana łańcuchem alfa jest częstym elementem wielu białek spełniających liczne funkcje. W DNA zachowały się ślady takiego „składania domen” w działające białko o nowych właściwościach.

Baczny czytelnik jednak zauważy, ze cofamy się tylko o krok w tył. Czyli żeby mieć kolejne skomplikowane białko, musimy mieć tylko nieco mniej skomplikowane białko uprzednie albo jego funkcjonalna domenę. Dotykamy dobrej starej filozofii elejskiej, gdzie jej twórca Parmenides (ten od bytu, który jest, i niebytu, którego nie ma) wywiódł był prosto, że z niczego nic nie może powstać.

A jednak z genami i powstającymi na drodze ich tłumaczenia na język aminokwasów białkami musi być tak, że powstały „z niczego”. Tylko gdzie tego szukać? Okazuje się, dzięki badaniom uczonych amerykańskich i niemieckich pod kierunkiem Geoffreya D. Findlaya z College of the Holy Cross, w Worcester (Maryland) i Ericha Bornberg-Bauera z Uniwersytetu w Münster, że owo nic ma swój adres w milczącym DNA. W tym samym, teoretycznie nie kodującym niczego, niezawierającym żadnych genów milczącym DNA, o którym pisałam, jakiś czas temu, bo się w nim również zagnieździły różne sekwencje istotne dla powstawania nowotworów – więcej o tym tutaj. Uczeni, podjęli się analizy bardzo „upakowanego genami” genomu muszki owocowej (wywilżny karłowatej, czyli Drosophila melanogaster). Zawiera on dziś bardzo niewiele sekwencji „milczących” DNA w porównaniu z genomem ludzkim. Pochylili się zatem nie tyle nad tymi resztkami genetycznego potencjału do tworzenia na drodze mutacji nowych sensownych „zdań” z ciągu genetycznego bełkotu, ile nad jednym z genów, których nie było u ewolucyjnych przodków drozofil, a u potomków są znajdowane. Aby zanalizować, jak i kiedy mógł on powstać „z niczego”.

Ja autorzy sami piszą na łamach najnowszego numeru „Nature communications”: „Łącząc analizy biochemiczne, genetyczne i ewolucyjne, wyjaśniamy funkcję i strukturę Goddard, genu, który wyewoluował de novo co najmniej 50 milionów lat temu w obrębie rodzaju Drosophila. Wcześniejsze badania wykazały, że Goddard jest niezbędny do męskiej płodności. […] Łącząc dane z modelowania, NMR i dichroizmu kołowego (CD), pokazujemy, że białko Goddard zawiera dużą centralną α-helisę, ale poza tym jest częściowo nieuporządkowane.”

Funkcje w plemniku

Co to oznacza? Że dzięki przypadkowym mutacjom akumulującym się w nieużywanej sekwencji genomu może powstać funkcjonalny gen. Ma tylko jedna „sensowną” domenę, ale za to precyzyjnie spełniającą swą nieodzowna dla męskiej płodności funkcje w plemniku. Uczeni z Münster i Worcester wykazali bowiem, że Goddard jest niezbędny, aby plemniki drosophili prawidłowo dojrzały i zindywidualizowały się.

Reszta sekwencji to nadal „bełkot” i można tam wiele zmieniać bez wpływu na centralną aktywność tego białka, ale to nie szkodziło przez 50 mln lat. Gdy jakaś sekwencja DNA staje się zaangażowana w płodność, czyli to, co dla mechanizmu doboru naturalnego jest absolutnie kluczowe, optymalizacja postępuje szybko i zakonserwowaniu (czyli utrwaleniu) ulega w białku, czyli ostatecznie w genie, ta sekwencja, bez której nic nie działa.

Kilka innych publikacji ostatnio wskazuje, że z „milczącego” DNA geny kodujące białka wyłaniają się (wystarczy by mutacje sprawiły, że w stosownej dla siebie odległości powstaną sygnały „START transkrypcji”, „START translacji” i „STOP”. Takie sekwencje są aktywowane często – dziesiątki tysięcy razy u każdego żyjącego organizmu. Oczywiście, jeśli maja być przekazane kolejnym pokoleniom, muszą się wydarzyć w komórkach, z których ostatecznie powstaje potomstwo danego organizmu. Te fragmenty są następnie sortowane w procesie selekcji ewolucyjnej.

Zdecydowana większość z nich okazuje się bezużyteczna lub szkodliwa i jest odrzucana – „milczy dalej” lub musi zostać z genomu usunięta wraz z osobnikiem, który ma te szkodliwą sekwencję aktywną. Jego potomstwo będzie mniej liczne i mniej płodne – przegra w ewolucyjnym wyścigu z lepiej przystosowanymi, a jego geny znikną wraz z nim. Te jednak powstałe „z niczego” geny, które są neutralne lub nieco korzystne, można zoptymalizować przez miliony lat i zmienić w coś pożytecznego.

Ewolucja czegoś z niczego jest możliwa, trzeba jej tylko dać te miliony lat. Nam jest ciężko myśleć w takiej perspektywie, bo chcemy tu i teraz, natychmiast. A oto naukowcom udało się wykazać – dla jednego konkretnego muszego białka, ale to jest kamień węgielny, że gdy DNA ma czas, zmienność i selekcja zrobią swoje.