Ewolucja Hedgehoga

Autor tekstu: PZ Myers

Tłumaczenie: Małgorzata Koraszewska

Public Library of Science opublikowała niedawno wysoce spekulacyjną, ale bardzo ciekawą

pracę o tym, jak mógł wyewoluować szlak sygnałowy Hedgehoga. Jest to stosunkowo wczesny etap
testowania hipotezy i to właśnie powoduje (między innymi), że ta praca jest interesująca —

zazwyczaj widzimy jedynie końcowy wynik długiego zbierania danych, eksperymentowania
i sprawdzania, co znaczy, że literatura naukowa daje nieco skrzywiony obraz procesu naukowego,

pozwalając postronnemu obserwatorowi zobaczyć jedynie to, co zostało już wyklepane
i wypolerowane, ukrywa zaś surowsze szkice, które pozwoliłyby nam zobaczyć, jak to się zaczęło

i jak nabudowywało. Jest to pouczające szczególnie dla tych, którzy przeglądają „literaturę"
kreacjonistów, często prymitywnie małpującą produkty rzeczywiście działającej nauki, ale bez

solidnej podbudowy metodologicznej. W szczególności u kreacjonistów zupełnie nie ma procesu
grzebania w rzeczywistym świecie, żeby rozwijać pomysły, ponieważ zaczynają oni od wniosków.

Potraktujmy więc ten opis jako pracę w procesie poszukiwań — obserwujemy tu dynamikę

budowania dobrego, działającego modelu. Jak zwykle na solidnych podstawach potwierdzonych,

znanych dowodów stawia się rozsądną hipotezę opartą na faktach, a następnie proponuje szereg
dróg badawczych z przewidzianymi wynikami, które potwierdziłyby hipotezę.

Hedgehog jest niezwykle ważną rodziną cząsteczek sygnałowych w wielokomórkowych

zwierzętach. Jak można oczekiwać, jeśli jesteś wielokomórkowym zwierzęciem, twoje komórki

potrzebują mechanizmu na wzajemne przekazywanie sobie informacji podczas procesu rozwojowego
— komórki w tkance muszą pracować razem jako zespół i potrzebują sposobów na koordynowanie

tej pracy. Potrzebny jest im sposób na mówienie jednej komórki do drugiej: „Słuchajcie, jesteśmy
wszyscy częścią śledziony! Zbudujmy wspierające struktury dla krwinek!" W rozwoju potrzebne są

one także do wzorcowania; na przykład niektóre cząsteczki Hedgehog są używane do określania
miejsca linii środkowej zwierzęcia, żeby narządy budowały się bilateralnie. Zabierz Hedgehoga,

a zwierzę traci wyczucie tej ważnej linii dzielącej i buduje jedno oko zamiast dwóch, i umieszcza je
tam, gdzie go nie powinno być.

Sama cząsteczka Hedgehog jest informacją wysłaną do innych komórek, by rozpoczęły zmiany

w ekspresji genów w komórkach docelowych. Potrzebna do tego jest komórka źródłowa

z maszynerią do wydzielania informacji, cząsteczki (Hedgehog) o unikatowym charakterze, która
stworzy z tego specjalny klucz, receptor lub czujnik w komórce docelowej oraz efektor, który może

być modyfikowany przez czujnik i który może następnie modyfikować ekspresję genu (zazwyczaj
dzięki kaskadzie cząsteczek pośredniczących), aby zmienić wzór rozwoju komórki. Tutaj jest

schemat tego procesu dla Hedgehoga, a jeśli to nie starczy, proszę przeczytać

moje wcześniejsze

streszczenie działania

Hedgehog

a

.

(Kliknij, żeby powiększyć)

Schematic overview of the Hedgehog signaling pathway. Signal-secreting cells (left)

release the morphogen protein Hh after modifying it through the addition of two lipid

molecules. A C-terminal cholesterol moiety is added via the activity of an intein

domain within Hh itself, whereas the protein Ski/Rasp attaches an N-terminal palmitic

acid. Lipid-modified Hh is released from the producing cell with the aid of the Disp

protein. Signal-receiving cells (right) bind Hh via the transmembrane protein Ptc,

perhaps with the assistance of the iHog/Boi family of proteins. Hh binding to Ptc leads

to the de-repression of the GPCR-related protein Smo. Smo subsequently initiates

intracellular signal transduction events, which involve proteins such as Cos2, Fu, and

Su(fu), that lead to changes in target gene expression. The inhibition of Smo by Ptc is

Racjonalista.pl

Strona 1 z 5

of particular interest here; it occurs nonstoichiometrically, in a manner that appears to

rely on a catalytic activity in Ptc.

Tutaj jest obsada ról, żeby pomóc wszystko uporządkować:
ˇ Po stronie wydzielania jest zestaw cząsteczek zaangażowanych w eksport Hedgehoga,

a także w modyfikowanie białka; jednym z głównych aktorów jest cząsteczka Dispatched. Nie
powiem nic więcej o tej części szlaku, ale proszę zauważyć podobieństwa między Dispatched i

Patched:

są

one

częścią

tej

samej

rodziny.

ˇ Hedgehog jest informacją. Jest to małe białko z przyczepionym lipidem, cholesterolem. Jest

wydzielane do przestrzeni międzykomórkowej, skąd może przenikać do sąsiadujących komórek.
ˇ Patched jest receptorem. Kiedy wiąże Hedgehoga nie wchodzi już w reakcję z następną cząsteczką

na szlaku, Smoothendem. Kiedy nie wiąże Hedgehoga, hamuje Smoothend, nie pozwalając mu na
wykonanie

jego

zadania.

ˇ Smoothend jest efektorem. Kiedy Patched mu nie przeszkadza, włącza łańcuch białek, które wiodą
do aktywacji określonych genów w jądrze.

Jest to rodzaj podwójnie negatywnej regulacji: Hedgehog hamuje Patched, powstrzymując go

od hamowania Smoothend, który włącza geny. Jest to także skomplikowana maszyna molekularna

w stylu Rube Goldberg, która powierzchownie robi wrażenie, jakby było bardzo trudno ją
wyewoluować — właśnie tego rodzaju, którym uwielbiają zanudzać kreacjoniści. Nic jednak nie

przychodzi z nikąd i okazuje się, że każda jej część ma bardzo ciekawych ewolucyjnych
poprzedników.

Zacznijmy od Patched. To białko jest prastare; spokrewnionych członków tej rodziny genów

możemy znaleźć w bakteriach prokariotycznych, które oczywiście nie są wielokomórkowe i nie są

zwierzętami. Co robi ono w bakteriach? Jest to transporter, mała pompa, której komórka używa do
wydzielania nadmiaru produktów ubocznych metabolizmu, a szczególnie klasy lipidów o nazwie

hopanoidy, które są cząsteczkami podobnymi do sterydów. Nad waszymi głowami powinno się teraz
zapalić małe światełko: pamiętamy, że Dispatched jest zaangażowany w wydzielanie Hedgehoga,

który jest kowalentnie modyfikowany przez dodatek podobnej do sterydu cząsteczki.

A co z Smoothend? Także jest członkiem wybitnej rodziny i ma cechy wspólne z receptorami

sprzężonymi z białkiem G (GPCR). Te cząsteczki są wszędzie; wspomniałem ich rolę w przenoszeniu
sygnałów

w

wizji

(http://scienceblogs.com/pharyngula/2006/09/rhabdome

ric_and_ciliary_eyes.php) i

smaku

(http://scienceblogs.com/pharyngula/2006/09/cats_can

dy_and_evolution.php). Zasadniczo są to cząsteczki w błonie komórkowej, które potrafią wykryć

bodziec i uruchomić kaskadę aktywacji białek, prowadzącą do zmian w metabolizmie komórkowym.

To tyle i ta hipoteza powinna być zrozumiała. Ewolucja zmieszała i dopasowała kawałki

z różnych szlaków, żeby zbudować wyrafinowany szlak sygnalizacyjny w szeregu małych, łatwych
kroków, z których każdy dawał organizmowi sensowną korzyść. Tutaj jest hipotetyczna ilustracja

jego ewolucji.

(Kliknij, żeby powiększyć)

A parsimonious scenario for the evolution of the Ptc/Smo system. We hypothesize that

during the transition to multicellularity, a pre-existing lipid homeostasis system took

on a new function in signaling. Initially, an ancient lipid transporter diversified; one of

its descendents came under the transcriptional control of a GPCR that sensed the

same lipid (i.e., forming a negative homeostatic feedback loop). Then, the fortuitous

addition of a protein moiety to the lipid in question brought the system under the

control of gene expression; a neighboring cell could now secrete the lipid at will (by

coupling it to the protein moiety). Because the combined lipid-protein molecule would

block the transporter, this meant that the sending cell was capable of changing the

perceived homeostatic state of the receiving cell, which would have established

a graded (quantitative) mode of cell-cell communication.

To jest proste. Prokarioty miały białko Patched do wypompowywania lipidu X; miały także

GPCR Smoothend, który potrafił wyczuć lipid X i który odgrywał rolę w regulacji genów
zaangażowanych w metabolizm X.

Jednym z genów zaangażowanych w metabolizm X, regulowanym przez Smoothend , jest

Patched. To jest krok łączący i ma on sens z punktu widzenia doboru. Jeśli komórka pływa w wielkiej

ilości X, włącz białko, które pomoże pozbyć się nadmiaru X.

Następnym krokiem jest dodanie sprzężenia zwrotnego. Jeśli wytwarzane jest mnóstwo

cząsteczek Patched, byłoby wydajne zatrzymanie tej produkcji, tak więc ewolucja faworyzuje
ewolucyjne powiązanie między Patched i Smoothend. Zapobiegnie to nieokiełznanej produkcji białek

w tym konkretnym szlaku ponad to, co jest potrzebne.

Końcowy krok pojawia się, kiedy szlak zostaje dokooptowany w ewolucji wielokomórkowości.

Racjonalista.pl

Strona 3 z 5

Lipid X jest prymitywnym sygnałem powiększenia szlaku komórkowego do pewnego poziomu

i zastopowania go; komórki mogą użyć tego sygnału, żeby oszukać swoje sąsiadki przez zalewanie
ich X, powodując włączenie u nich określonego zestawu genów. Jeszcze sprytniejsze jest to, że przez

modyfikowanie X kowalentnie związanym białkiem (co powstrzymuje komórkę od przetwarzania X)
mogą wytworzyć silniejszy sygnał. Ta część wymaga niejakiego zwrotu postrzegania; jesteśmy

stronniczy wobec białek i zazwyczaj uważamy białko za ważniejszą część, modyfikowaną przez
dodanie lipidu… to zaś sugeruje, że pierwotnie lipid był sygnałem, a białko dodatkiem.

Podoba mi się to. To ładny model i ma wiele sensu. Bazuje także na ustalonych wzorcach

homologii i funkcji molekularnej, nie jest więc po prostu wzięty z powietrza — istnieją dobre powody,

by sądzić, że jest to rozsądne wyjaśnienie.

Nauka nie zatrzymuje się tutaj, zadowalając się zaledwie prawdopodobieństwem. Następnym

krokiem jest przetestowanie idei i autorzy czynią cały szereg przewidywań tego, co powinni
zobaczyć, jeśli ich idea jest słuszna.

1. Powinny istnieć głębsze podobieństwa między transporterami bakteryjnymi i Patched.

Wiadomo, że białka bakteryjne funkcjonują jako trimery (trzy identyczne białka muszą się

zgrupować, żeby wykonać zadanie), a także używają gradientu stężenia protonów do napędzania
swojej

akcji

pompującej.

Czy

Patched

ma

podobne

wymagania?

2. Czy w podobny sposób można modyfikować funkcjonalnie bakteryjne transportery przez dodanie
blokujących

białek

do

ich

pożywek?

3. U zwierząt wielokomórkowych Patched może nadal funkcjonować pod nieobecność cholesterolu u
Hedgehoga; nabył mianowicie specjalnego powinowactwa do białka, a nie do lipidu. Czy w Patched

może jednak nadal istnieć szczątkowe miejsce wiążące dla cholesterolu?
4. Istnieją pewne ciekawe filogenetyczne dziwactwa, które powinno się zbadać. Na przykład nicienie

mają Patched, ale nie mają Smoothend. Autorzy przewidują, że Patched u C. elegant powinien być
w stanie współdziałać z Smoothend muszki owocowej. (Moim zdaniem jest to trochę ryzykanckie

przewidywanie: nicienie mogły utracić Smoothend i teza, że ich szlak reprezentuje krok pośredni
w ewolucji

tej

ścieżki,

jest

trochę

niebezpieczna).

5. Autorzy stawiają również hipotezę dotyczącą dokładnego mechanizmu funkcji
Patched/Smoothend. Ponieważ przypuszcza się, że Patched pochodzi z pompy, która odpycha

cząsteczkę od komórki, powinna istnieć ściśle umiejscowiona interakcja między tymi dwoma
białkami — nie powinny działać tak, że Patched przenosi do Smoothendu pośredniczącą, małą

cząsteczkę.
6. Jedną z propozycji, jak Patched i Smoothend mogą wchodzić ze sobą w interakcję, jest lokalna

dynamika lipidów — Patched zmienia środowisko lipidowe na swoim małym obszarze błony,
wysysając jakiś specjalny składnik, a Smoothend reaguje na tę zmianę.

To wszystko jest ciekawe, z masą interesujących szczegółów do rozplątania i zanalizowania.

Widzę także, że jest to program badawczy, który wykorzystuje biochemię, biologię molekularną,

bakteriologię i biologię porównawczą, żeby odpowiedzieć na ciekawe pytania biologii rozwojowej —
mam wrażenie, że będę musiał wrócić do szkoły, żeby odświeżyć wiedzę o podstawach, by móc

dotrzymać kroku w mojej dziedzinie.

Proszę także zauważyć, co jest ważne w uprawianiu nauki. To jest całkowicie spekulacyjny

model ewolucji konkretnego szlaku, ale wymaga on: 1) uznania istniejącej informacji, 2) planu
sprawdzania hipotezy i rozszerzenia wiedzy. Może być w wielu punktach błędny, ale proces

rozumienia, gdzie zawiódł, pomoże dopracować następny model.

Źródło: Hausmann, G, von Mering C, Basler K, (2009) The Hedgehog Signaling Pathway:

Where Did It Come From? „PLoS Biol" 7(6): e1000146.doi:10.1371/journal.pbio.1000146

Oryginał

(http://scienceblogs.com/pharyngula/2009/07/the_evol ution_of_hedgehog.php).

Pharyngula, 21 lipca 2009

PZ Myers

Ur 1957. Amerykański profesor biologii na uniwersytecie w Minnesocie, prowadzi również

popularyzujący naukę blog

Pharyngula

.

Pokaż inne teksty autora

(Publikacja: 26-07-2009)

Oryginał..

(http://www.racjonalista.pl/kk.php/s,6701)

Contents Copyright

©

2000-2009 Mariusz Agnosiewicz

Programming Copyright

©

2001-2009 Michał Przech

Autorem portalu Racjonalista.pl jest Michał Przech, zwany niżej Autorem.

Właścicielami portalu 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 tego portalu i jakiejkolwiek jego części.

Wszystkie strony tego portalu, wliczając w to strukturę katalogów, skrypty oraz inne

programy komputerowe, zostały wytworzone i są administrowane przez Autora.

Stanowią one wyłączną własność Właściciela. Właściciel zastrzega sobie prawo do

okresowych modyfikacji zawartości tego portalu oraz opisu niniejszych Praw

Autorskich bez uprzedniego powiadomienia. Jeżeli nie akceptujesz tej polityki możesz

nie odwiedzać tego portalu i nie korzystać z jego zasobów.

Informacje zawarte na tym portalu 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

portalu 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 portalu. 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

portalu pod domenami Racjonalista.pl, TheRationalist.eu.org oraz Neutrum.eu.org.

Wszelkie pytania prosimy kierować do

[e-mail]

Racjonalista.pl

Strona 5 z 5