Powtórzenia tandemowe a zróżnicowanie

Powtórzenia tandemowe a zróżnicowanie morfologiczne
Autor tekstu: PZ Myers
Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska
W
szystkie ssaki mają w zasadzie taki sam zestaw genów, ale oczywiście muszą
istnieć znaczące różnice, żeby odróżnić człowieka od myszy. Obecnie sądzimy, że główne
źródło zróżnicowania morfologicznego znajduje się w układach regulacyjnych cis; to jest,
odcinkach DNA poza rzeczywistym kodującym obszarem genu, które są odpowiedzialne za
włączanie i wyłączanie genu. Wszyscy mamy włosy, ale myszy i ludzie różnią się tym, gdzie na
ich ciałach one rosną, a to jest pod kontrolą tych elementów regulujących.
Nowa praca Johna W. Fondona i Harolda R. Garnera sugeruje, że istnieje inne źródło
różnic między jednostkami: powtórzenia tandemowe (ministelity). Powtórzenia tandemowe to
krótkie odcinki DNA powtórzone wiele razy w genie, od kilku do ponad stu. Nazywa się je VNTR
— zmienna liczba powtórzeń tandemowych (ang. variable number tandem repeats) —
ponieważ różne jednostki w populacji mogą mieć różną liczbę powtórzeń. Te VNTR stosunkowo
łatwo odkryć narzędziami molekularnymi i wiemy, że populacje zwierząt (włącznie z ludźmi)
mogą przechowywać duży rezerwuar różnych liczb powtórzeń, ale nie było wiadomo, co
właściwie robią te różnice. Jedna osoba może mieć 3 powtórzenia tandemowe w jakimś genie,
podczas gdy jej sąsiad może ich mieć 15, bez jakiejkolwiek widocznej różnicy między nimi,
którą można prześledzić do tego konkretnego genu. Pytaniem jest więc jaki, jeśli jakikolwiek,
wpływ na organizm ma posiadanie różnych liczb powtórzeń tandemowych?
Fondon i Garner zajmują się tym problemem szukając najpierw populacji wykazującej
duże i wyraźne różnice morfologiczne między jednostkami, a następnie patrząc na ich genomy,
by zobaczyć, czy te różnice można skorelować z liczbami powtórzeń tandemowych. Populacją,
którą badali, były psy udomowione. Psy są nie tylko różne, ale hodowcy psów znani są z
wybredności co do kształtu i charakteru i psy rasowe podlegają intensywnej selekcji ze
względu na określone cechy. Kiedy już zidentyfikuje się zakres różnic danej cechy
morfologicznej, jak na przykład kształt pyska, można zapytać, czy liczba powtórzeń w jakimś
genie odbija te różnice.
Autorzy zbadali 142 psy 92 różnych ras i przyglądali się różnym powtórzeniom
tandemowym w 17 genach każdego z nich. Wybrane geny były rozwojowo ważnymi
czynnikami transkrypcyjnymi, które co najmniej podejrzewano o odgrywanie roli w
kształtowaniu danych cech morfologicznych. Okazało się, że 15 z tych 17 genów ma wiele alleli
różniących się długością powtórzeń.
Zupełnie nie jest zaskakujące, że istnieje znaczna ilość genetycznych wariacji w liczbie
powtórzeń tandemowych. Powtórzenia tandemowe mają bardzo wysokie tempo mutacji, z
prawdopodobieństwem do 100 tysięcy razy większym niż mutacje punktowe, ponieważ mają
skłonność do typu błędu zwanego poślizgiem replikacji. Ponieważ zawierają wiele kopii tej
samej krótkiej sekwencji, łatwo jest dwóm niciom DNA ustawić się nierówno w tym miejscu —
GTAC na jednej nici może stworzyć parę z pierwszym CATG na drugiej nici lub z drugim czy
trzecim. Jeśli nici są niedopasowane, enzymy replikujące mogą albo odciąć, albo dodać kilka
powtórzeń. Jest to specyficzny rodzaj błędu, ponieważ zmiany DNA nie dotyczą losowych
nukleotydów, ale zamiast tego produkują różne liczby powtórzeń.
Należy zauważyć, że ten brak wierności w kopiowaniu powtórzeń tandemowych oznacza,
że znajdują się one tylko w regionach genów, które mogą tolerować pewną zmienność w
długości wynikających z tego białek. Jest to interesujące samo w sobie, ponieważ mówi to, że
te białka są w stanie funkcjonować z ą 30 lub więcej aminokwasami w swojej końcowej
długości.
Mutacje punktowe, także mutacje synonimicznych kodonów wewnątrz powtórzeń
tandemowych, mogą powstrzymać poślizg replikacji. Mała zmiana w sekwencji daje machinie
replikacyjnej miejscową różnicę, której używa do poprawnego uszeregowania obu nici, a
stabilne powtórzenie tandemowe będzie akumulowało te małe zmiany i straci swój
powtórzeniowy charakter. Z drugiej strony delecja spowodowana przez poślizg replikacji może
usunąć różnicę punktową i następujące niedopasowanie może rozszerzyć sekwencję,
Racjonalista.pl
Strona 1 z 5
produkując powtórkę bez niedoskonałości. Jedną z miar ilości doboru zachodzącego w
powtórzeniu tandemowym jest jego czystość: jeśli jest mało przerw w doskonałości powtórzeń,
to w historii tej sekwencji zachodziło wiele delecji i rozszerzeń. Jeśli istnieje wiele odchyleń od
doskonałej powtórki, to w niedawnej przeszłości sekwencja nie ulegała wielu zmianom
długości.
Czystość sekwencji jest więc miarą tego, ile doboru na nowe odmiany zachodziło w linii
rodowej. Autorzy porównali te same powtórkowe loci u ludzi i u psów i stwierdzili, że
powtórzenia u psów były czystsze w 29 z 39 wypadków, a tej samej czystości w 7 wypadkach.
Sugeruje to, że różnice u psów nie są po prostu losowymi, neutralnymi zmianami, ale
wynikiem niedawnej selekcji tych loci.
No dobrze, więc istnieją te interesujące warianty genu u psów i najwyraźniej podlegały
one selekcji. Jaki efekt mają te powtórzenia?
Opiszę dwa główne przykłady z tej pracy. Pierwszym jest
gen zwany Runx-2 (runt-related transcription factor 2),
pokrewny genowi parzystości runt (gen ten zaangażowany
jest w segmentację) u muszki owocowej. U kręgowców jedną
z funkcji Runx-2 jest regulacja zróżnicowania osteoblastów,
komórek odpowiedzialnych za budowę kości. Runx-2 zawiera
dwa powtórzenia, jedno kodujące 18-20 glutamin (region poliQ) i drugie kodujące 12-17 alanin (region poli-A). Porównanie
statystyczne całkowitej długości powtórzeń (Q+A) z różnymi
parametrami rozmiarów czaszki ujawniło korelację z długością
rejonu śródtwarzy i cechą zwaną po angielsku clinorhynchy grzbietowo-brzusznym zakrzywieniem nosa. Co to jest
grzbietowo-brzuszne zakrzywienie nosa? Jeśli widzieliście
bulteriera, wiecie, co jest u niego charakterystyczne: ten długi
nos z pochyleniem do dołu.
Bulteriery mają na ogół krótką parę powtórzeń tandemowych i mają długi region
śródtwarzy oraz wyraźne zakrzywienie pyska do dołu. Były celowo dobierane ze względu na tę
cechę i okazy muzealne pokazują, że w ciągu ostatnich 70 lat stawała się ona coraz
wyraźniejsza.
Szybka i utrzymująca się ewolucja rasy. Czaszki bulterierów czystej rasy w
1931 roku (Góra), 1950 roku (Środek) i 1976 roku (Dół). Mimo braku różnorodności
genetycznej spowodowanego strukturą i historią populacji, ta rasa była zdolna do
nieprzerwanego tworzenia nowych i bardziej krańcowych odmian morfologicznych w
szybkim i trwałym tempie. Analiza powtórek Runx-2 u bulteriera z 1931 r. ujawnia
bardziej pośredni allel (Q19A14) niż u bulteriera współczesnego (Q19A13).
Oryginalna ilustracja z dodatkowymi czaszkami bernardynów i nowofunlandów
znajduje się tutaj.
Jak dotąd jest świetnie, ale muszę
powiedzieć, że dalej jest to nieco bardziej
skomplikowane. Nie jest to tak proste jak krótkie
powtórki → pysk zakrzywiony do dołu. Jednym ze
sposobów
regulacji
aktywności
czynnika
transkrypcyjnego jest wzajemne wiązanie się;
łańcuchy aminokwasów mogą wpłynąć na to, jak
oddziałują na siebie czynniki traskrypcyjne.
Okazuje się, że poliglutamina może podnieść
tempo transkrypcji, podczas gdy polialanina je
zmniejsza, a białko Runx-2 ma zarówno łańcuch
poliglutaminowy (poli-Q), jak i polianalinowy (poliA). W sytuacji, w której dwa współzawodniczące
składniki modulują działalność, ważniejszy może
być stosunek poli-Q do poli-A, i proszę, stosunek
poli-Q/poli-A wykazuje jeszcze silniejszą korelację
z clonorhynchy niż poli-Q+poli-A.
Długość powtórzenia tandemowego w genie
rozwojowym jest ilościowo skorelowana z ciągłymi
cechami morfologicznymi. (A i B) Podane efekty
na transkrypcję poliglutaminy i polialaniny
sugerują, że te dwie domeny mogą być
zaangażowane w konkurencyjne aktywności i że
stosunkowa długość tych domen może wpływać
bardziej niż ich łączną długość. Test korelacji
Pearsona tej hipotezy ujawnił znaczącą korelację
między stosunkiem poliglutaminy do polialaniny w
Runx-2 a clinorhynchy (grzbietowo-brzuszne
zakrzywienie
nosa,
P=0,0001,
jednostronna
istotność Pearsona, n=27, A) oraz długością
śródtwarzy (P=0,0002, n=27, B). Natura i
ukierunkowanie tych korelacji wskazują na
stosunkowo dłuższe powtórzenia glutaminowe
Runx-2, powodujące większy wzrost śródtwarzy,
zgodne z obserwacjami ludzkich pacjentów z
dysplazją obojczykowo-czaszkową. Opublikowane
badania wskazują, że związek między długością a
funkcją powtórzeń aminokwasów jest zazwyczaj
nielinearny; jednak dopasowanie kwadratowe czy wykładnicze do danych o clinorhynchy (A)
nie daje wystarczającej poprawy w residualnej, by poprzeć użycie funkcji nielinearnej zamiast
linii zwykłej.
Przykładem drugiego genu jest Alx-4 (aristaless-like homeobox 4). Alx-4 także jest
spokrewniony z czynnikiem transkrypcyjnym znajdującym się u muszki owocowej, i nokaut
tego genu u myszy powoduje narodziny myszy z sześcioma palcami. Jeden specyficzny allel
tego genu — Alx-4∆51 znaleziono u jednej tylko rasy psów, pyristamo (pirenejski pies górski).
Osobliwością tej rasy jest nadliczbowość palców na tylnych łapach — psy czystej rasy mają
Racjonalista.pl
Strona 3 z 5
mieć podwójny wilczy pazur, czyli w sumie sześć palców na tylnej łapie. Alx-4∆51 jest delecją,
która likwiduje 51 nukleotydów z powtórzenia tandemowego ze stratą 17 aminokwasów.
Wszystkie psy pyristamo z nadliczbowością palców mają tę delecję 17 aminokwasów; jeden
spośród badanych pyristamo bez nadliczbowości miał pełną długość powtórzenia
tandemowego.
Duże mutacje długości powtórzenia mogą powodować znaczną zmianę
morfologiczną. (A) Alx-4 u myszy pokazuje podwojenie pierwszego palca (strzałka).
(B) Radiogram tylnej łapy PYRISTAMO pokazuje typowy fenotyp podwójnego
wilczego pazura, specyfikowany dla tej rasy (strzałka). Pyristamo z nadliczbowością
palców są homozygotami pod względem usunięcia 51 powtórzeń nukleotydów w
genie Alx-4. Amplifikacja PCR odcinka zawierającego powtórzenia Alx-4 u 89 ras
psów pokazuje, że ta delecja jest unikatowa dla rasy pyristamo (strzałka).
Fenotypicznie normalne bassety, flat-coated retrievery i harriery były
heterozygotyczne pod względem dwóch wstawek aminokwasów (dublety). (D)
sekwencjonowanie DNA ujawnia, że delecja jest spowodowana przez usunięcie
powtórzenia PQn, którego wynikiem jest usunięcie 14 aminokwasów w powtórzeniu.
Dobrą wiadomością w tym wszystkim jest to, że pokazuje jeszcze jeden sposób
stosunkowo szybkiego dodawania do morfologicznej różnorodności populacji i że mamy jeszcze
jeden mechanizm precyzyjnego dostrajania ewolucji. Te powtórzenia tandemowe są
powszechne w genomie kręgowców, a więc najwyraźniej może to być rezerwuarem
zróżnicowań a zarazem solidnym i elastycznym sposobem dodawania nowych odmian do
populacji.
Istnieją jednak ograniczenia tego badania. Po pierwsze, skupia się na przypadku
krańcowym: psy czystej rasy były poddane bardzo silnej selekcji ze względu na specyficzne, a
w niektórych wypadkach wręcz szkodliwe, cechy. Po prostu nie wiemy jak ważny jest ten
sposób zmiany ewolucyjnej w bardziej naturalnych warunkach. Po drugie, jak na razie widzimy
tylko korelacje, nie zaś eksperymentalne zakłócenia. Są to diablo przekonujące korelacje, ale w
którymś momencie dobrze byłoby zobaczyć bezpośrednią manipulację proporcji Q/A w genie
Runx-2 u, na przykład, owczarka szkockiego, która dałaby mu zakrzywiony nos bulteriera.
Wreszcie, może to tylko moja zachcianka, ale chciałbym zobaczyć badania rozwojowe wzorów
ekspresji genów Runx-2 i Alx-4 w embrionach psów, żeby zobaczyć jak właściwie rozgrywają
się te różnice.
Niemniej zacząłem się zastanawiać. Mam taki guzowaty nos i widzę go także u mojego
ojca oraz babki ze strony ojca. Zastanawiam się czy dałoby się go prześledzić do długości
powtórzeń tandemowych w jakimś czynniku transkrypcyjnym?
PZ Myers
Ur 1957. Amerykański profesor biologii na uniwersytecie w Minnesocie, prowadzi również
popularyzujący naukę blog Pharyngula.
Pokaż inne teksty autora
(Publikacja: 20-10-2007)
Oryginał.. (http://www.racjonalista.pl/kk.php/s,5590)
Contents Copyright © 2000-2008 by Mariusz Agnosiewicz
Programming Copyright © 2001-2008 Michał Przech
Autorem tej witryny jest Michał Przech, zwany niżej Autorem.
Właścicielem witryny są Mariusz Agnosiewicz oraz Autor.
Żadna część niniejszych opracowań nie może być wykorzystywana w celach
komercyjnych, bez uprzedniej pisemnej zgody Właściciela, który zastrzega sobie
niniejszym wszelkie prawa, przewidziane
w przepisach szczególnych, oraz zgodnie z prawem cywilnym i handlowym,
w szczególności z tytułu praw autorskich, wynalazczych, znaków towarowych
do tej witryny i jakiejkolwiek ich części.
Wszystkie strony tego serwisu, wliczając w to strukturę podkatalogów, skrypty
JavaScript oraz inne programy komputerowe, zostały wytworzone i są administrowane
przez Autora. Stanowią one wyłączną własność Właściciela. Właściciel zastrzega sobie
prawo do okresowych modyfikacji zawartości tej witryny oraz opisu niniejszych Praw
Autorskich bez uprzedniego powiadomienia. Jeżeli nie akceptujesz tej polityki możesz
nie odwiedzać tej witryny i nie korzystać z jej zasobów.
Informacje zawarte na tej witrynie przeznaczone są do użytku prywatnego osób
odwiedzających te strony. Można je pobierać, drukować i przeglądać jedynie w celach
informacyjnych, bez czerpania z tego tytułu korzyści finansowych lub pobierania
wynagrodzenia w dowolnej formie. Modyfikacja zawartości stron oraz skryptów jest
zabroniona. Niniejszym udziela się zgody na swobodne kopiowanie dokumentów
serwisu Racjonalista.pl tak w formie elektronicznej, jak i drukowanej, w celach innych
niż handlowe, z zachowaniem tej informacji.
Plik PDF, który czytasz, może być rozpowszechniany jedynie w formie oryginalnej,
w jakiej występuje na witrynie. Plik ten nie może być traktowany jako oficjalna
lub oryginalna wersja tekstu, jaki zawiera.
Treść tego zapisu stosuje się do wersji zarówno polsko jak i angielskojęzycznych
serwisu pod domenami Racjonalista.pl, TheRationalist.eu.org oraz Neutrum.eu.org.
Wszelkie pytania prosimy kierować do [email protected]
Racjonalista.pl
Strona 5 z 5