Zagadkę rozszyfrowali uczeni niemieccy i amerykańscy. 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. <br><br> A skąd owo mRNA się bierze? No jak to skąd? Z genów, które są zmagazynowane w formie <b><a href="https://www.tvp.info/tag?tag=dna" target="_blank">DNA</a></b> i przepisywane na sekwencje RNA, by dać owe białka. <strong>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?</strong> <br><br> Oczywiście pytanie dotyczy po pierwsze pradawnej ewolucji, kiedy to, jak opisywałam już wcześniej <strong><a href="https://tygodnik.tvp.pl/51408100/niewykluczone-ze-nasz-ewolucyjny-sukces-zawdzieczamy-pandemii" target="_self">tutaj</a></strong> – „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. <br><br> <strong>Ciężko jest nie być kreacjonistą, gdy się patrzy na „magiczny” świat białek. No bo jak mogły takie skomplikowane sekwencje aminokwasowe powstać?</strong> 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. <br><br> 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.<h2>Ewolucyjny pomysł</h2> <br> Kolejny dobry <b><a href="https://www.tvp.info/tag?tag=ewolucja" target="_blank">ewolucyjny</a></b> 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. <br><br> 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. <strong>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</strong>. <br><br> 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 – <strong><a href="https://www.tvp.info/46275492/nowotwory-wynikaja-z-mutacji-w-dna" target="_self">więcej o tym tutaj</a></strong>. <div class="facebook-paragraph"><div><span class="wiecej">#wieszwiecej</span><span>Polub nas</span></div><iframe allowtransparency="true" frameborder="0" height="27" scrolling="no" src="https://www.facebook.com/plugins/like.php?href=https%3A%2F%2Fwww.facebook.com%2Ftvp.info&width=450&layout=standard&action=like&show_faces=false&share=false&height=35&appId=825992797416546"></iframe></div> 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 <b><a href="https://www.tvp.info/tag?tag=genetyka" target="_blank">genetycznego</a></b> 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”. <br><br> Ja autorzy sami piszą na łamach najnowszego numeru „Nature communications”: „<strong>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</strong>. 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.”<h2>Funkcje w plemniku</h2> <br> 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. <br><br> 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 <b><a href="https://www.tvp.info/tag?tag=gpłodność" target="_blank">płodność</a></b>, 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. <br><br> 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”. <strong>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</strong>. <br><br> 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. <br><br> 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. <br><br> <img src="https://s.tvp.pl/repository/attachment/4/4/6/446ae7032ad7145311025c27ebb077441541685773263.jpg" width="100%">