Tom 58 2009
Numer 3 4 (284 285)
Strony 403 416
Andrzej KAczAnowsKi
Instytut Zoologii
Wydział Biologii Uniwersytetu Warszawskiego
Miecznikowa 1, 02-096 Warszawa
E-mail: [e-mail]
EWOLUCJA ISTOTNYCH CECH BUDOWY ORGANIZMU ZWIERZ
CEGO
UWAGI DOTYCZ
CE EWOLUCJI PROGRAMU ROZWOJU ZWIERZ
T I DZIEDZICTWA
GENETYCZNEGO CZA
OWIEKA
Pytania dotyczÄ…ce procesu ewolucji nie tego istotne zmiany w budowie organizmu
sprowadzają się jedynie do działania dobo- są wynikiem zmian, jakie zaszły w trakcie
ru naturalnego na stosunkowo niewielkie ewolucji w samym programie rozwoju. Nie
różnice dotyczące ostatecznych cech organi- można sprowadzać ich do liczby różnic w
zmu, takie jak kolor sierści, piór, repertuar sekwencjach DNA lub białek. Poniższy tekst
przeciwciał i wiele innych. Pragniemy także nie będzie jednak systematycznym wykładem
poznać, w jaki sposób zachodziła ewolucja biologii i ewolucji rozwoju, co wymagałoby
istotnych cech budowy ciała zwierząt i ro- napisania całej książki. Będą to tylko niektó-
ślin. Ostateczna forma zwierzęcia i człowieka, re uwagi dotyczące wymienionej wyżej tema-
jest wynikiem procesu rozwojowego i dla- tyki, które stanowią wyraz poglądów autora.
UWAGI DOTYCZ
CE ZAWARTOÅšCI INFORMARTYCZNEJ GENOMU
OGRANICZENIE ZAWARTOÅšCI INFORMATYCZNEJ proces ewolucji zachodzi na drodze doboru
GENOMU JAKO SKUTEK OBCI
żENIA naturalnego i mutacji to rzadko myślimy o
MUTACYJNEGO tym, że większość mutacji obniża dostoso-
wanie organizmu. Mutacje są więc z
ródłem
Nawet w niewielkich komórkach Proka-
obciążenia genetycznego (L). Obciążenie to
ryota zmienność alleliczna (mutacje) oraz do-
(L1), liczone na pojedynczy locus (1), stanowi
bór naturalny mogą tworzyć praktycznie nie-
zmniejszenie dostosowania genotypu spowo-
ograniczonÄ… liczbÄ™ kombinacji przy zachowa-
dowane wyłącznie przez jego mutowanie, a
niu tej samej liczby genów. Jednakże powsta-
Ltotal liczone dla całego genomu będzie dane
wanie coraz bardziej złożonych organizmów
przez równanie
wymagało rozszerzenia zapisu genetycznego,
a wiÄ™c powstawania nowych genetycznych wtotal = 1  Ltotal = (1  L1) × (1-L2) ×& & .× (1-
loci. Nowe loci powstawały na drodze dupli- L )
n
kacji istniejących genów i różnicowania się
Gdzie wtotal oznacza rzeczywiste dosto-
ich funkcji (KrzAnowsKA 1997, Kubicz 1999,
sowanie całego genomu, a liczba 1 oznacza
MAKAłowsKA i współautorzy 2009; artykuły
teoretyczną wartość dostosowania, jaka wy-
bAbiKA i Korony w tym zeszycie KOSMOSU).
stępowałaby wówczas kiedy nie zachodziłyby
Proces ten musiał jednak zachodzić w bardzo
mutacje, a L1, L2& L obciążenia poszczegól-
n
oszczędny sposób. Chociaż dobrze wiemy, że
Praca finansowana przez grant Ministersrwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego nr NN 303 091 134.
Andrzej KAczAnowsKi
404
nych loci (jAcquArd 1974). Jeżeli prawdopo- i po okresie replikacyjnym i wreszcie mecha-
dobieństwo mutowania danego locus liczone nizmy, które wstrzymują podziały komórek z
na linię komórek płciowych i na haploidal- uszkodzonym DNA. Te ostatnie hamują prze-
ny genom na pokolenie oznaczymy jako Å, bieg cyklu komórkowego i dajÄ… czas na repe-
to obciążenie genetyczne tego locus będzie racje uszkodzonego DNA, albo eliminują ko-
równe Å  dla alleli recesywnych i 2Å dla mórki na drodze programowanej Å›mierci ko-
alleli dominujących (jAcquArd 1974, ohno mórek czyli apoptozy (o czym napiszę dalej).
1985). Można z pewnym przybliżeniem sza- Mimo tych wszystkich zabezpieczeń genom
cować, że tak liczone prawdopodobieństwo jest stale narażony na uszkodzenia i dlatego
zmutowania genu (Å) u ssaków wynosi genetyka populacji przewiduje, że nie może
1/100 000. Oznacza to, że gdybyśmy mieli on być zbyt duży. Teoretyczne ograniczenie
w genomie 100 000 genów kodujących biał-  bezpiecznej liczby genów danego genomu
ka, to w ciągu życia każdego z nas powsta- można przyrównać do pojemności informa-
wałaby średnio jedna niekorzystna mutacja tycznej komputera. Natomiast rzeczywistą
przekazywana naszym dzieciom. Już wiele lat liczbę genów w genomie można przyrównać
temu wyliczono, że znaczne przekroczenie do zawartości informatycznej wprowadzonej
granicy 100 000 genów u ssaka lub człowieka do komputera.
pociągałoby za sobą w sposób nieunikniony
RZECZYWISTA LICZBA GENóW W GENOMIE
ekstynkcję gatunku z powodu obciążenia ge-
netycznego (ohno 1985). łoMnicKi (artykuł Ponieważ żyjemy obecnie w erze  geno-
Dobór naturalny w tym zeszycie) opisał w miki , a nawet niektórzy mówią, że  post ge-
jaki sposób ekspresja niekorzystnych, najczę- nomiki , to znamy już odpowiedz
na pytanie,
ściej recesywnych mutacji w homozygotach które nurtowało wielu badaczy w ubiegłym
prowadzi do usuwania ich z populacji. Ale stuleciu, jaka jest rzeczywista wielkość i licz-
szkodliwe allele nie mogą być do końca usu- ba genów kodujących białka genomu ludz-
nięte z odpowiednio dużej populacji nawet kiego i niektórych innych genomów
wówczas, kiedy homozygoty szkodliwego Już w 2001 r. ogłoszono prawie pełną
allelu są całkowicie letalne, ponieważ pozo- sekwencje genomu ludzkiego, która wynosi
staną one w osobnikach hetetozygotycznych około 3 x 109, czyli około 3 miliardy par za-
(patrz artykuł łoMnicKiego Dobór naturalny sad (internAtionAl consortiuM 2001). Jest to
w tym zeszycie KOSMOSU). Jednocześnie w ogromna liczba, która mogłaby odpowiadać
wyniku mutowania powstają nowe mutacje nawet liczbie 1 000 000 genów szacując, że
danego locus podobne do tych, które są usu- średni gen może mieć 3000 par zasad. W 2001
wane w wyniku selekcji. Wprawdzie rzadko r. oszacowano jednak, że genom ludzki zawie-
występujące mutacje dominujące i letalne są ra jedynie 32 000 genów kodujących białka i
natychmiast usuwane z populacji, ale nawet ta liczba jest dla naszych rozważań dużo waż-
wówczas będą one pojawiać się z prawdopo- niejsza niż liczba wszystkich par zasad. Póz
-
dobieństwem równym prawdopodobieństwu niej okazało się nawet, że liczba ta jest jeszcze
mutowania danego locus x 21. Nie można bo- mniejsza i wynosi tylko 22 500, co tłumaczy
wiem zatrzymać procesu mutowania, tak jak się głównie tym, że średnio co drugi gen pod-
nie można powstrzymać rozpadu promienio- lega tak zwanemu alternatywnemu wycinaniu
twórczego pierwiastków. (ang. alternative splicing), co oznacza, że dany
Omawiając prawdopodobieństwo muto- gen może kodować więcej niż jedno białko
wania warto pamiętać o tym, że w organi- (internAtionAl consortiuM 2004). Były to
zmach wyższych występują bardzo dobrze dobre wiadomości, tłumaczące dlaczego w
rozwinięte mechanizmy samej naprawy DNA ogromnej większości przypadków rodzą się
w trakcie replikacji, jak też mechanizmy wy- zdrowe dzieci (chociaż wszyscy wiemy jakim
krywania i usuwania postreplikacyjnych mo- nieszczęściem są wrodzone, niczym nie zawi-
dyfikacji chemicznych pojedynczych nukle- nione wady genetyczne). Już wcześniej wia-
otydów, reperacji uszkodzeń dwuniciowych i domo było, że u drożdży piekarniczych liczba
jednoniciowych jakie mogą powstawać przed genów wynosi około 6000, u muszki owoco-
1
Powstawanie nowych dominujących mutacji w populacji ludzkiej wykazano np. badając już w latach 40. pojawianie się chon-
drodystrofii w jednym z duńskich szpitali położniczych. Jest to dominująca wada genetyczna, polegająca na zbyt szybkim kost-
nieniu chrząstek, które powoduje bardzo niski ostateczny wzrost człowieka ( karłowatość ). Wada ta może być zdiagnozowana
już w momencie urodzenia się dziecka. W badaniach tych zanotowano 8 przypadków chondrodystrofii na 95000 urodzeń, u
dzieci, których obydwoje rodzice a także inni członkowie rodziny mieli całkowicie normalny wzrost. A więc nie ulegało wątpli-
wości, że były to nowe mutacje, które powstały w komórkach rozrodczych jednego z rodziców (jAcquArd 1974).
Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzęcego
405
wej 12 13 000, a u nicienia Caenorabditis ele- ganizmu ludzkiego nie sprowadza siÄ™ tylko do
gans 18000. Podane zestawienie zawiera więc liczby komórek, to powyższe zestawienie jest
dwa paradoksy. Pierwszym jest to, że genom pouczające i wskazuje na to, że ewolucja or-
ludzki zawiera niewiele więcej genów kodują- ganizmalna i ewolucja zawartości informatycz-
cych białka, niż genom nicienia, chociaż ciało nej genomu nie przebiegały w sposób koline-
nicienia zawiera jedynie około 1000 komórek, arny. Niezwykle mała liczba genów człowieka
a ciało ludzkie około 1013. Drugim paradok- w stosunku do stopnia złożoności organizmu
sem jest to, że genom nicienia zawiera dużo oznacza, że informacja genetyczna człowieka
więcej genów niż genom Drosophila, pomimo i zwierząt wyższych musi być zorganizowana
tego, że budowa nicienia jest dużo prostsza w sposób niezwykle oszczędny, a więc w spo-
niż budowa muchy2. Wprawdzie złożoność or- sób hierarchiczny3.
ROLA CZYNNIKóW TRANSKRYPCYJNYCH W HIERARCHICZNEJ REGULACJI EKSPRESJI GENóW
I JEJ ZNACZENIE W ROZWOJU ORGANIZMU
Ciało zwierzęcia powstaje w wyniku zło- meraza RNA. Rzadziej wzmacniacze znajdują
żonego procesu rozwojowego, składa się z się za końcem transkrybowanego genu. Od-
wielu narządów i tkanek. Ostatecznie zróżni- działywanie czynnika transkrypcyjnego na
cowane komórki zaprogramowane są w taki polimerazę wymaga wypętlania się samej nici
sposób, że aktywne są w nich różne geny, DNA, tak jak to przedstawiono na Ryc. 1.
które determinują syntezę tylko małej, ale
specyficznej puli określonych białek stano-
wiących o ich specyficzności tkankowej. I
tak na przykład komórki naskórka wytwarza-
ją keratynę, fibroblasty m.in. włókna kolage-
nowe, erytroblasty, hemoglobinÄ™ itp., a inne
komórki tego samego organizmu ich nie
wytwarzają. A przecież wszystkie komórki
naszego organizmu pochodzÄ… z tej samej zy-
goty, mają taki sam genom, a różnice pomię-
dzy nimi wynikają tylko z tego, że ekspresja
poszczególnych genów jest w nich inaczej
zaprogramowana.
Ryc. 1. Uproszczony schemat oddziaływania
Jak to się dzieje? W genomie występu-
czynników transkrypcyjnych na proces trans-
ją geny nadrzędne, z których każdy reguluje
krypcji.
aktywność (transkrypcję) wielu  podlega-
Polimeraza RNA II (zależna od DNA) przyłącza się do
jących im genów, które nie kodują ani he-
promotora transkrybowanego genu. Dodatkowe czyn-
moglobiny ani kollagenu ani keratyny, lecz
niki transkrypcyjne TF1, TF2 i TF3 przyłączają się do
białka, które określane są mianem czynników
krótkich specyficznych sekwencji wzmacniaczy E1, E2
transkrypcyjnych. Czynniki transkrypcyjne
i E3, które leżą przed promotorem, a niekiedy poza
wzmacniajÄ… tranksrypcjÄ™ regulowanego genu
miejscem terminacji transkrypcji, powodując wypętla-
dzięki temu, że łączą się z krótkimi sekwen-
nie się nici DNA. Z kolei, wypętlenie nici DNA umoż-
cjami zwanymi wzmacniaczami (ang. enhan-
liwia oddziaływanie czynników transkrypcyjnych na
cers) tego genu, które najczęściej znajdują
cząsteczkę polimerazy, które prowadzi do wzmocnie-
się przed promotorem a więc przed tym od-
nia lub wyciszenia transkrypcji danego genu.
cinkiem DNA, do którego przyłącza się poli-
2
Nicienie mają chitynowy oskórek i dlatego wraz ze stawonogami należą do nadtypu Ecdyzoa. Większość gatun-
ków obecnie żyjących nicieni, to małe, 1mm nicienie glebowe o bardzo uproszczonej budowie ciała. Istnieją dane
paleontologiczne wskazujące na redukcję ich wielkości w trakcie ewolucji. Nicienie posiadają bardzo rozwinięty
repertuar genów ograniczających wzrost ciała, co może być jedną z przyczyn ich nieoczekiwanie dużej liczby ge-
nów. Inną przyczyną mogą być adaptacje fizjologiczne nicieni do potencjalnie bardzo różnorodnych warunków
panujących w glebie np. do obecności mikroorganizmów, które wytwarzają toksyny.
3
Jak wynika z przytoczonych danych, w genomie ludzkim obok bardzo oszczędnego zapisu istotnej informacji
genetycznej występuje ogromna ilość niekodującego DNA, któremu nie można przypisać określonej funkcji. Ar-
tykuł Korony w tym zeszycie KOSMOSU omawia prawdopodobne pochodzenie tego balastu na drodze działania
dryfu genetycznego w stosunkowo ograniczonych liczebnie populacjach wyższych organizmów.
Andrzej KAczAnowsKi
406
Niekiedy obok wzmacniaczy transkrypcji, lub
zamiast nich, występują wyciszacze (ang si-
lencers) i wtedy przyłączane do nich białka
wyciszajÄ… transkrypcjÄ™. Ten rodzaj regulacji
taranskrypcji genów przez geny nadrzędne
może mieć charakter wielostopniowy, czyli
jak to się często określa kaskadowy (Ryc. 2).
W ten sposób podczas rozwoju organizmu
czynniki transkrypcyjne włączają kolejno całe
podprogramy, specyficzne dla danej części
ciała, potem dla danego narządu i wreszcie
dla ostatecznie zróżnicowanych komórek.
Analogicznie w komputerze w zależności od
okoliczności naciśnięcie pojedynczego klawi-
sza może oznaczać wprowadzenie pojedyn-
czej litery do pisanego tekstu, albo całego
programu bÄ…dz
podprogramu. Ewolucyjne
Ryc. 2. Schemat wielostopniowej (kaskadowej)
znaczenie tej regulacji potwierdza fakt, że
regulacji aktywności genów docelowych przez
wiele spośród czynników transkrypcyjnych
czynniki transkrypcyjne.
ma niezwykle konserwatywny charakter.
ZNACZENIE MUTACJI I GENóW HOMEOTYCZNYCH DLA PROCESU EWOLUCJI STAWONOGóW,
ORAZ ROZPOWSWZECHNIENIE GENóW HOx W CAA
YM ÅšWIECIE ZWIEZR
CYM
MUTACJE HOMEOTYCZNE U OWADóW
posiada konformację trzeciorzędową: helisa-
skręt-helisa, a sekwencja homeobox zawiera
Mutacjami homeotycznymi nazywamy ta- odpowiednio 180 par zasad.
kie mutacje, które zamieniają przydatki cha-
DUPLIKACJE I EWOLUCJA GENóW
rakterystyczne dla danego segmentu ciała
HOMEOTYCZNYCH U STAWONOGóW
owadów lub szerzej stawonogów na przydat-
ki innego segmentu, a genami homeotyczny- Edward Lewis już w latach 70. wiązał
mi geny, w których mapują się wyżej wymie- ewolucję segmentacji stawonogów z ewolu-
nione mutacje. Najbardziej znanymi mutacja- cją i ekspresją genów homeotycznych. Silna
mi homeotycznymi sÄ… mutacje bithorax (bx), ekspresja normalnego niezmutowanego genu
które powodują, że przezmianki, czyli zredu- Antennapedia zachodzi jedynie w trzech
kowana druga para skrzydeł muchy, stają się segmentach tułowia muchy i jest wyłączona
znów pełnymi, błoniastymi skrzydłami po- zarówno w segmentach głowy jak i w seg-
dobnymi do skrzydeł pierwszej pary (Ryc. 3). mentach odwłoka owada. Dlatego można
Warto od razu zauważyć, że mutacje te do- było oczekiwać, że w tych grupach stawono-
tyczą cechy diagnostycznej dla całego rzędu gów, które posiadają więcej niż 3 pary odnó-
muchówek, a więc takiej cechy, która po- ży krocznych, ekspresja genu Antennapedia
zwala odróżnić muchówki od innych rzędów będzie odpowiednio rozszerzona na większą
owadów na przykład od błonkówek (Ryc. 3). liczbę segmentów. Od dawna uważano, że
Inna mutacja, zwana Antennapedia, powo- jednymi z najbardziej pierwotnych stawono-
duje, że zamiast czułków na głowie muchy, gów są raki liścionogie (Phyllopodia), które
na ich miejscu, powstają w pełni rozwinięte posiadają 11 segmentów tak zwanego tuło-
odnóża kroczne. Blisko 30 lat temu okazało wia, zaopatrzonych w prymitywne liściowate
się, że produktami genów homeotycznych są odnóża. W 1995 r. zgodnie z przedstawioną
białka o charakterze czynników transkrypcyj- wyżej hipotezą wykazano, że ekspresja genu
nych i że były one bardzo silnie konserwowa- Antennapedia w zarodku raka liścionogiego
ne w procesie ewolucji. Ta część cząsteczki Artemia franciscana występuje we wszyst-
białkowej, która łączy się ze wzmacniaczami kich 11 segementach, na których rozwijają
regulowanych genów nosi nazwę homeodo- się liściowate odnóża. Liczba 11 odpowiada
meny, a sekwencja kodująca homeodomenę sumie 3 segmentów tułowia i 8 segmentów
nosi nazwę homeoboksu (w skrócie hox). odwłoka muchy. W ten sposób po raz pierw-
Homeodomena zawiera 60 aminokwasów i szy wykazano, że homologia segmentów sta-
Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzęcego
407
go ekspresja u muchy jest również regulowa-
na przez nadrzędny gen Ubx (Ryc. 4).
Hipoteza ta była testowana przez rAn-
ghAusen i współaut. (2002). Pewną trud-
ność w ich badaniach stanowił fakt, że od-
nóża u muchy powstają dopiero po przepo-
czwarzeniu się owada. Jednakże na trzech
segmentach tułowia larwy muchy występują
parzyste, czuciowe narządy Keilina, których
położenie odpowiada póz
niejszemu położe-
Ryc. 3. (A) Schemat normalnego ułożenia skrzy-
niu odnóży, i które nie występują na seg-
deł i przezmianek u muchy. (B) schemat ułoże-
mentach odwłoka. Dlatego rAnghAusen i
nia dwóch par skrzydeł u podwójnego mutanta
współaut (2002) uważali, że narządy Keili-
bithorax i post bithorax.
na stanowią larwalny odpowiednik odnóży
postaci dorosłej. Następnie wykazali oni, że
wonogów, wyznaczona dawno temu przez
dodatkowy (ektopiczny) gen Ultrabithorax
zoologów, jest zgodna z ekspresją tych ge-
wprowadzony do zarodka Drosophila pod-
nów, które determinują rozwój ich przydat-
legał ekspresji w segmentach tułowiowych
ków segmentalnych. Ekspresja genu Anten-
larwy muchy i hamował w nich powstawa-
napedia muchy jest kontrolowana przez dwa
nie narządów Keilina, czyli  odnóży larwal-
inne geny homeotyczne Ultrabithorax (Ubx)
nych . Ale z kolei dodatkowy gen Ultrabi-
i Abdomen A (Abd A), które podlegają silnej
thorax pobrany z Artemia i wprowadzony
ekspresji w odwłoku, wyłączając transkryp-
do zarodka muchy nie hamował rozwoju
cję genu Ant, co wykazano bezpośrednio w
narządów Keilina czyli  odnóży larwalnych .
badaniach in vitro (Ryc. 4A). Gen Ubx pod-
Następnie rAnghAusen i współaut. (2002)
lega także częściowej ekspresji w trzecim
utworzyli szereg mozaikowych konstruk-
segmencie tułowia muchy, co hamuje rozwój
skrzydeł, ale zezwala na rozwój trzeciej pary
odnóży i dlatego opisane wyżej mutacje bi-
thorax mapujÄ… siÄ™ w genie Ubx.
U Artemia, w przeciwieństwie do mu-
chy, ekspresje Ultrabithorax i Abdomen A,
tak jak ekspresja Antennapedia, występują
we wszystkich 11 segmentach tułowia, na
których rozwijają się liściowate odnóża. Po-
dobne wyniki uzyskano dla wijów (Myriapo-
da), u których również podczas ich rozwoju
występuje jednoczesna ekspresja wszystkich
trzech omawianych genów na licznych seg-
menatch zaopatrzonych w odnóża kroczne
(Ryc. 4B). Te odkrycia oznaczały, że produkty
genów Ubx i Abd A u Artemia i u wijów nie
hamują ekspresji genu Antp i że charaktery-
styczna hierarchiczna regulacja funkcji tego
genu powstała w trakcie ewolucji stawono-
gów, prowadząc do redukcji liczby ich odnó-
Ryc. 4. (A). Regulacja ekspresji ( transkrypcji) Anten-
ży. Dlatego Averof i AKAM (1995) sądzili, że
nopedia u muchy. Produkt genu Ultrabithorax jest
geny Ant, Ubx i Abd A powstały na drodze
czynnikiem transkrypcyjnym, który wycisza trans-
duplikacji pojedynczego genu, który wystę-
krypcjÄ™ Antennopedia. Gen Abdomen A jest czynni-
pował u hipotetycznego wspólnego przodka
kiem transkrypcyjnym, który aktywuje transkrypcję
dzisiejszych skorupiaków i owadów, a dopie-
genu Ultrabithorax w odwłoku muchy. (B) Ekspre-
ro następnie sekwencje te różnicowały się
sja czterech genów Abdomen A, (AbdA) Ultarbitho-
w taki sposób, że produkty genów Abd A i
rax (Ubx), Antennopedia (Ant) i Distalless (Dll) we
Ubx regulujÄ… funkcje genu Ant i innych ge-
wszystkich 11 segmentach tułowia Artemia, na któ-
nów determinujących rozwój odnóży tak jak
rych występują liściowate odnóża, wskazuje na brak
to opisałem wyżej. Okazało się, że rozwój od-
regulacji genu Antennapedia i Distalless przez pozo-
nóży u stawonogów zależy także od drugiego
stałe dwa geny.
genu homeotycznego Distal less (Dll), które-
Andrzej KAczAnowsKi
408
FUNKCJA GENóW hox U KR
GOWCóW
tów genowych, które zawierały część genu
Ultrabithorax pobranego z Artemia i drugÄ…
Pozostawało jednak pytanie, jaką rolę peł-
część podobnego genu Drosophila. W ten
nią geny hox w rozwoju ssaków. W 1991 r.
sposób znalez
li oni te różnice w sekwencji
Mario cApecchi znokautował gen hox A3
obu genów, które determinowały inhibicję
myszy, którego ekspresja występuje w przed-
rozwoju narządów Keilina przez białko Ul-
niej części zarodka ssaka, wstawiając w jego
trabithorax. Sekwencja homeoboks była nie-
miejsce nieczynny konstrukt. Konstrukt ten
zmieniona, ale w C-końcowej części białka
zawierał bakteryjny gen neo odporności na
Ultrabithorax Drosophila występowały krót-
antybiotyk neomycynÄ™, wprowadzony do
kie odcinki polialaninowe, które w wielu
środka sekwencji genu hox A3. W ten spo-
miejscach zastępowały serynowe i treonino-
sób gen hox A3 był znokautowany przez
we reszty aminokwasowe białka Ultrabitho-
brak ciągłości jego sekwencji, a jednocześnie
rax Artemii. Jeżeli C-końcowy odcinek mo-
odporność na neomycynę, pozwalała na se-
zaikowego genu Ubx pochodził z Artemii, a
lekcję komórek ze znokautowanym genem
reszta z sekwencji Ubx Drosophila, i jeżeli
(Ryc. 5). Otrzymany konstrukt został następ-
gen ten był wprowadzany do zarodka Droso-
nie wprowadzony do komórek, które w ho-
phila, to stopień zahamowania rozwoju na-
dowli in vitro zachowują charakter komórek
rządów Keilina był tym większy, im dłuższy
embrionalnych, czyli są komórkami macierzy-
jego fragment pochodził z Drosophili i tym
stymi (ang. pluripotent stem cells). Po selek-
mniejszy im dłuższy jego fragment pocho-
cji przy pomocy neomycyny, komórki ze zno-
dził z Artemii. W ostatecznym rachunku za-
kautowanym genem hox A3 cApecchi wpro-
hamowanie rozwoju narządów Keilina (od-
wadził do zarodka myszy. Jeżeli komórki ze
powiednik larwalnych odnóży) przez białko
znokautowanym genem wchodziły do pasma
Ultrabithorax wytwarzane przez dodatkowy
płciowego (co oczywiście nie zawsze miało
i mozaikowy gen zależało od liczby miejsc,
miejsce), to w następnym pokoleniu moż-
w których reszty serynowe lub treoninowe
na było otrzymać płody ze znokautowanym
były zastępowane przez reszty alaninowe. Ta
genem. Nokaut genu hox A3 spowodował
ostatnia konkluzja była być może najważniej-
sza, bo sugeruje, że redukcja liczby odnóży
w trakcie ewolucji stawonogów mogła mieć
charakter stopniowy, a nie jednoczesny.
POWSZECHNOŚć WYST
POWANIA GENóW hox
W CAA
YM ÅšWIECIE ZWIERZ
CYM
Dalsze badania, w których stosowano
sondy molekularne wykrywajÄ…ce sekwencjÄ™
homeoboks wykazały, że homologi owadzich
genów homeotycznych, występują we wszyst-
kich grupach zwierząt, od jamochłonów po-
cząwszy a na ssakach i człowieku kończąc,
niezależnie od tego, czy dane zwierzę wyka-
zuje segmentacjÄ™ czy nie. Geny te nazywa-
no genami hox, co oznaczało, że zawierają
one sekwencje homeoboks, ale to nie prze-
Ryc 5. Schemat nokautu genetycznego genu
sądzało, jaką rolę geny te pełnią w rozwo-
hox A3 u myszy.
ju zwierzęcia. Okazało się, że u kręgowców
występują aż 4 zespoły genów hox, oznacza- (A) Do sekwencji genu hox A3 zostaje wprowadzo-
ne literami A, B, C, i D, które są aktywne w
ny bakteryjny gen odporności na neomycynę. (B)
czasie ich rozwoju zarodkowego w układzie
Konstrukt ten jest wprowadzany na drodze elektro-
nerwowym (cewka nerwowa ) oraz w somi- poracji do jądra komórki biorcy i rekombinuje z ge-
tach (woreczkach) mezodermalnych (Mcgin- nem chromosomalnym; w ten sposób gen macierzy-
nis 1954). Na uwagę zasługuje fakt, że somity
sty zostaje zamieniony na wprowadzony konstrukt.
podczas rozwoju embrionalnego kręgowców
Transkrypcja sekwencji wprowadzonego konstruk-
wykazują metamerię, chociaż mają pochodze- tu ma podwójny efekt: nie powstanie funkcjonalne
nie mezodermalne, a więc inne niż segmenty
białko hox A3 i komórka będzie odporna na neomy-
stawonogów, które mają głównie charakter
cynę, co pozwala na selekcję komórek ze znokauto-
ektodermalny.
wanym genem.
Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzęcego
409
nych u człowieka. Tym odpowiednikiem
jest wrodzona wada genetyczna nazwana
synpolydaktylią, która polega na powsta-
waniu 6 zamiast 5 palców we wszystkich
czterech kończynach, przy czym dodatkowy
palec IIIb jest zrośnięty z właściwym pal-
cem wskazującym (Ryc. 6). Ponieważ no-
kaut genu hox D13 u myszy spowodował
ubytki kości w obrębie śródstopia i palców,
zbadano sekwencjÄ™ genu hox D13 u ludzi
dotkniętych synpolydaktylią, chociaż wada
ta nie była związana z ubytkami elementów
kostnych, a wprost przeciwnie powodowa-
Å‚a ich nadmiar. W tym celu zastosowano
metodę PCR, używając starterów polime-
Ryc. 6. (A) Schematy ułożenia kości palców i
razy DNA zapożyczonych z mysiego genu
śródręcza człowieka (A) w normalnym osobni- hoxD13. Okazało się, że zgodnie z oczeki-
ku (B) w przypadku synpolidaktylii. Dodatkowy
waniami gen hoxD13 u ludzi dotkniętych
palec IIIb kolor biały. (wg MurAKAgi i współ- synpolydaktylią był zmutowany i zawierał
aut. 1966, zmodyfikowany).
wstawkę, która kodowała kilkanaście alanin
w łańcuchu białkowym, przy czym mutacja
dramatyczne skutki: między innymi brak roz- ta miała charakter dominujący (MurAKAgi i
woju szczęki dolnej, niedorozwój tarczycy i współaut.1996). Nie wiemy wprawdzie w
przedniego łuku aorty (patrz cApecchi 1994; jaki sposób wstawki polialaninowe determi-
KAczAnowsKi i KAczAnowsKA 2001, 2002). nują funkcję genu hox D13 człowieka, ale
Wynik ten oznaczał, że geny hox u ssaków warto zauważyć, że tak jak pisałem wyżej
kontrolują rozwój określonych struktur, po- niewielkie odcinki polialaninowe występują
dobnie jak geny homeotyczne stawonogów, u muchy w genie Ultrabithirax i determinu-
pomimo wszelkich różnic jakie występują w ją jego zdolność do inhibicji rozwoju narzą-
budowie i w rozwoju zwierząt w tych odle- dów Keilina, czyli  odnóży larwalnych .
głych od siebie gałęziach ewolucyjnych. War- Reasumując ten z konieczności niepeł-
to także zauważyć, że był to pierwszy nokaut ny przegląd dotyczący genów hox widzimy,
genu myszy i że od tego czasu znokautowa- że ich występowanie w genomie jest jedną
no około 10 000 mysich genów, a w 2007 r. ze wspólnych cech wszystkich zwierząt i że
Capecchi wraz z Olivierem Smithem i Marti- produkty tych genów, które są czynnikami
nem Evansem otrzymal nagrodę Nobla (no- transkrypcyjnymi, działają w podobny sposób
ble Archive). i stanowią ważny element programu rozwoju
Następnie znaleziono odpowiednik spon- w odległych od siebie gałęziach ewolucyj-
tanicznych owadzich mutacji homeotycz- nych świata zwierzęcego.
ROLA ²-KATENINY JAKO CZYNNIKA TRANSKRYPCYJNEGO W ROZWOJU ZWIERZ
T
Jednym z białek, które są rozpowszech- zupełnie inna funkcję niż to ma miejsce w
większości komórek nabłonkowych (KAczA-
nione w całym świecie zwierzęcym i które
regulujÄ… istotne procesy rozwojowe jest ²- nowsKi, KAczAnowsKA 2001).
katenina. Białko to pełni podwójną funkcję.
²-KATENINA JAKO CZYNNIK INDUKUJ
CY
Spolimeryzowane Å‚aÅ„cuchy ²-kateniny wcho-
POWSTAWANIE POLIPóW W JELICIE CZA
OWIEKA
dzą w skład połączeń międzykomórkowych,
które występują w nabłonkach, a jej niespoli- Jednym z białek, które biorą udział w
procesie fosforylacji, a w konsekwencji de-
meryzowane czÄ…steczki podlegajÄ… degradacji
proteasomalnej na terenie cytoplazmy. Degra- gradacji ²-kateniny, jest biaÅ‚ko APC. Mutacja
genu, który koduje APC, wywołuje u ludzi
dacja ta wymaga fosforylacji z udziałem kilku
biaÅ‚ek. Jeżeli jednak szlak degradacji ²-kateni- wadÄ™ genetycznÄ… okreÅ›lana skrótem FAPC
ny jest wyłączony, to jej pojedyncze niespo- (ang. familial adeno poliposis coli). Jest to ro-
dzinna, a więc dziedziczona w sposób men-
limeryzowane cząsteczki stają się ważnym
dlowski, skłonność do tworzenia wielokrot-
czynnikiem transkrypcyjnym, a więc pełnią
Andrzej KAczAnowsKi
410
nych polipów okrężnicy które początkowo
są łagodnymi nowotworami, ale prędzej czy
póz
niej przekształcają się w nowotwory zło-
śliwe typu adenoma. Co się wówczas dzieje?
Wolna niespolimeryzowana ²-katenina wcho-
dzi do jąder komórek nabłonka jelitowego i
aktywuje transkrypcję wielu genów, których
produkty pobudzają podziały komórek, a co
za tym idzie proces nowotworzenia. Z kolei,
wprowadzenie dodatkowej kopii genu APC
u myszy powodowało brak zdolności do nie-
zbędnej regeneracji nabłonka jelitowego.
ROLA ²-KATENINY W ROZWOJU ZARODKA
KR
GOWCóW
W 1935 r. nagrodÄ™ Nobla z fizjologii
otrzymał niemiecki uczony Hans Spemann
za eksperymenty, jakich dokonał na zarod-
Ryc. 7. Schemat doświadczenia Spemanna.
kach płaza. Komórki zarodka płaza w sta-
dium gastruli podlegają wpukleniu, które
Zaznaczony fragment (organizator) pobrany z za-
wyznacza położenie zawiązków narządów
rodka, gastruli, płaza(A) zostaje przeszczepiony do
leżących po stronie grzbietowej. W zarod- drugiego zarodka (B) tak jak to wskazano na sche-
ku można więc wyróżnić stronę grzbietową
macie. (C) W wyniku tego przeszczepu rozwija siÄ™
i przeciwnÄ… do niej stronÄ™ brzusznÄ…. Hans
podwójny zarodek. Na schemacie tym zaznaczono
Spemann wykazał, że na stadium gastruli
podwójną cewkę nerwową i pary odchodzących od
operacyjne przeszczepienie pewnego frag- niej nerwów (wg gerhArtA i KirshnerA 1997, zmo-
mentu grzbietowej strony zarodka (nazwane- dyfikowany).
go organizatorem) na stronÄ™ brzusznÄ… inne-
go zarodka powoduje rozwój dodatkowych
ROLA ²-KATENINY W ROZWOJU SEGMENTóW
struktur grzbietowych u biorcy tego prze-
OWADA
szczepu na jego stronie brzusznej. Były to
między innymi dodatkowe: cewka nerwowa,
Mniej więcej w tym samym czasie wyka-
struna grzbietowa woreczki mezodermalne
zano, że wolna ²-katenina peÅ‚ni także waż-
i somity mięśniowe (Ryc. 7). W ten sposób
nÄ… rolÄ™ w rozwoju larwy muchy, stymulu-
powstawały zarodki o podwójnej osi ciała
jÄ…c powstawanie na jego brzusznej stronie
przypominajÄ…ce zarodki  braci syjamskich .
ząbków kutikularnych na przednim brzegu
Doświadczenia Spemann i Mangold są omó-
każdego segmentu tułowiowego i odwłoko-
wione w pracach przeglÄ…dowych gerhArtA
wego larwy. Wyłączenie procesu degrada-
i KirshnerA (1997) i gilbertA (2006) oraz
cji wolnej ²-kateniny zależaÅ‚o od pewnego
KAczAnowsKiego i KAczAnowsKiej (2001).
autokrynowego czynnika (peptydu wnt)
W latach 90. okazało się, że w tak zwanym
wydzielanego na zewnątrz do środowiska i
organizatorze Spemanna znajduje siÄ™ wol-
wyłapywanego przez trans błonowe recep-
na (nie spolimeryzowana) ²-katenina, a co
tory tych samych komórek kutikularnych.
wiÄ™cej, że wstrzykniÄ™cie mRNA ²-kateniny
Oddziaływanie liganda wnt na jego recep-
do komórek brzusznej strony zarodka płaza
tor uruchamiało wewnątrz komórki szlak
powoduje ten sam efekt co transplantacje
oddziaływań cząsteczek białkowych, któ-
wykonane przez Spemanna, a więc indukuje
rych ostatecznym rezultatem była inhibicja
powstawanie podwójnego zarodka4 (funAy-
fosforylacji i degradacji nie spolimeryzo-
AMA i współaut. 1995, gilbert 2006).
4
Badania nowotworów okrężnicy oraz innych nowotworów zwiÄ…zanych z podwyższonym poziomem wolnej ²-
kateniny w komórce, a także badania nad zarodkami płazów wykazały, że czynnikami transkrypcyjnymi nie
sÄ… pojedyncze czÄ…steczki niespolimeryzowanej ²-kateniny lecz heterodimery które tworzy ona z czÄ…steczkami
jednego z białek z rodziny LEF1/TCF. Dimery te powstają na terenie cytoplazmy i podlegają translokacji do jąder
komórek oddziaływując na transkrypcję wielu genów.
5
hobMAyer i współaut (2000) wykazali nawet, że mRNA ²-kateniny stuÅ‚bi wstrzykniÄ™te do blastomerów brzusznej
strony zarodka płaza indukowało powstawanie  drugiej osi ciała  czyli podwójnych zarodków tak jak to miało
miejsce w przypadku wstrzyknięcia własnego mRNA i w doświadczeniach Spemanna (Ryc 7).
Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzęcego
411
krypcję wielu genów. Badania te przyczyni-
Å‚y siÄ™ do poznania tak zwanej kanonicznej
ścieżki wewnątrz komórkowej transdukcji
sygnału wnt.
ROLA ²-KATENINY W ROZWOJU I REGENERACJI
HYDRY
Wreszcie w 2000 r. opisano obecność
wolnej ²-kateniny u stuÅ‚biopÅ‚awów w rozwi-
jających się pączkach bocznych i co więcej,
w regenerujących  głowach polipów stułbi
(Ryc. 8) (hobMAyer i współaut. 2000; patrz
także KAczAnowsKi i KAczAnowsKA 2001).
Odkrycie to wykazało nie tylko powszech-
ność wystÄ™powania samej ²-kateniny w ca-
Ryc. 8. WystÄ™powanie wolnej ²-kateniny u stuÅ‚- Å‚ym Å›wiecie zwierzÄ™cym, ale także jej funk-
bi (A) w pączkach polipów (B). Po obcięciu cje w regulacji rozwoju począwszy od jamo-
 głowy polipa (otwór jamy chłonąco-trawiącej chłonów (stułbi) a kończąc na kręgowcach i
zaopatrzony w wieniec czuÅ‚ków) ²-katenina czÅ‚owieku5. Zdumienie budzi fakt, że wielo-
występuje także na szczycie regenerującego po- znaczne słowo  polip nie tylko opisuje for-
lipa. mę ciała stułbi i pewne typy nabłonkowych
łagodnych nowotworów u człowieka, ale że
to jak się wydawało powierzchowne podo-
wanej ²-kateniny. Wolna ²-katenina wcho-
bieństwo odnosi się w obu przypadkach do
dziła do jąder komórkowych i jako czynnik
podobnych mechanizmów, które regulują
transkrypcyjny indukowała powstawanie
podziały i różnicowanie się komórek.
ząbków kutikularnych, wzmacniając trans-
ZNACZENIE EWOLUCYJNE PROGRAMOWANEJ ŚMIERCI KOMóREK (APOPTOZY) W ŚWICIE
ZWIERZ
CYM
ROLA APOPTOZY W ROZWOJU ZWIERZ
T I
jak to podano w oficjalnym komunikacie,
CZA
OWIEKA
 ich odkrycia dotyczÄ…ce genetycznej regulacji
rozwoju organów i programowanej śmierci
W 1977 r. John Sulston badajÄ…c embrio-
komórek (noble Archive). Dlaczego Komi-
nalny rozwój nicienia po raz pierwszy za-
tet Noblowski uznał, że odkrycia dotyczące
uważył, że niektóre komórki kurczą się a na-
procesu apoptozy u bardzo małego nicienia
stępnie znikają i że są to komórki położone
są tak ważne dla medycyny? Dlatego, że jak
zawsze w tych samych miejscach zarodka i
się wkrótce okazało, proces apoptozy zacho-
powstajÄ…ce w wyniku tych samych podzia-
dzi we wszystkich pozostałych grupach zwie-
łów komórkowych. Ponieważ śmierć komó-
rząt i u człowieka. Polega on na utracie wody
rek stanowiła nieodłączny element programu
przez komórkę (komórka się kurczy), która
rozwojowego nicienia, zjawisko to nazwano
następnie rozpada na tak zwane ciałka apop-
programowaną śmiercią komórek, czyli apop-
totyczne (Ryc. 9), które w przypadku ssaków
tozą. W kilka lat póz
niej Sulston i Horwitz
i człowieka są uprzątane przez makrofagi.
opisali apoptozÄ™ w trakcie post embrional-
Dla naszych rozważań najistotniejsze jest to,
nego rozwoju nicienia, oraz otrzymali szereg
że apoptoza zachodzi we wszystkich grupach
mutantów tego procesu6.
zwierząt od jamochłonów, a począwszy od ni-
I znowu w każdym przypadku można
cieni jest niezbędnym elementem programu
było precyzyjne wyznaczyć miejsce, czyli
rozwojowego. Rozległa apoptoza występuje
zmapować, komórki podlegające apoptozie
między innymi wewnątrz poczwarek tych
w danym stadium larwalnym. W 2002 r. Sul-
owadów, które przechodzą przeobrażenie
ston, Horwitz i Brenner otrzymali nagrodÄ™
zupełne. W trakcie rozwoju ssaków apopto-
Nobla w dziedzinie fizjologii i medycyny za,
6
W rozwoju post embrionalnym nicień przechodzi przez 4 stadia larwalne oddzielone kolejnymi linieniami. Jed-
nakże tylko niektóre komórki zachowują zdolność do dalszych podziałów (komórki progenitorowe), a liczba
wszystkich komórek zwiększa się jedynie z 650 do 1000 kiedy dorosły nicień osiąga długość około 1 mm.
Andrzej KAczAnowsKi
412
Ryc. 9. Schemat przebiegu procesu apoptozy.
(A) Stan początkowy; jądro komórkowe (J), cytopla-
zma (cyt). (B) Komórka kurczy się po utracie części
wody; jÄ…dro podlega kondensacji i staje siÄ™ ciemniej-
sze. (C i D) Komórka rozpada się na ciałka apopto-
tyczne.
za zachodzi w zawiązkach kończyn, rozdzie-
lając poszczególne palce stóp lub dłoni. Bez
tej apoptozy palce ludzkie byłyby połączone
fałdem skórnym, tak jak to ma miejsce w
stopach ptaków wodnych. Podczas rozwoju
ludzkiego mózgu apoptoza obejmuje także
około 1/3 jego neuronów w krótkim czasie
po urodzeniu się dziecka. W ten sposób li-
kwidowane są te neurony, pomiędzy którymi
nie zachodzi przepływ sygnałów związany
z wydzielaniem neurotransmiterów. Istnie-
Ryc. 10. Homologie białek regulujących proces
ją dane wskazujące na to, że zahamowanie
apoptozy u (A) nicienia i (B) u ssaków (w tym
apoptozy neuronów mózgowych w okresie
u człowieka).
postnatalnym powoduje poważne zaburzenia
psychiczne.
na powierzchni komórek nowotworowych i
ROLA APOPTOZY W REGULACJI FUNKCJI
powoduje ich eliminacjÄ™.
DOROSA
EGO ORGANIZMU SSAKA, W TYM
CZA
OWIEKA HOMOLOGIA BIAA
EK I GENóW REGULUJ
CYCH
PROCES APOPTOZY NICIENIA I CZA
OWIEKA
(a) Apoptoza może być odpowiedzią na
niereperowalne uszkodzenia DNA i w komór- Proces apoptozy u nicienia zależy od
kach linii płciowej stanowi ostatnią szansę genów CED (ang. cell death). Białko CED 9
wyeliminowania dziedzicznej wady genetycz- jest białkiem antyapoptotycznym, a delecja
nej przekazywanej przez plemnik lub komór- genu CED 9 zwiększa liczbę komórek, które
kę jajową. Natomiast jeżeli apoptoza zachodzi podlegają apoptozie. Inne białko CED 4 ak-
w komórkach somatycznych z uszkodzeniami tywuje białko CED 3 i to białko z kolei jest
DNA, to stanowi ona ostatnią linię obrony  egzekutorem procesu apoptozy. Białko
przed grożącą transformacją nowotworową. CED 3 jest proteazą cysteinową z rodziny
(b) Apoptoza pełni też ważne funkcje w kaspaz. (Ryc. 10A). Odpowiednikami bia-
układzie immunologicznym. Cytotoksyczne łek CED9 i CED 3 nicienia są białka Bcl2
limfocyty T wywołują apoptozę w komór- i Apaf 1 u człowieka. Natomiast w miejsce
kach, które prezentują na swojej powierzchni jednej kaspazy CED 3 u nicienia, u ssaków,
fragmenty obcych białek, na przykład białek w tym człowieka, występuje wiele kaspaz,
wirusowych. Wówczas sygnał apoptotyczny które umożliwiają występowanie zróżni-
indukowany jest przez zewnątrz-komórkowe cowanego repertuaru odpowiedzi apop-
sygnały związane z receptorami błonowymi totycznych zachodzących zarówno w cza-
(FAS-FAS ligand). sie rozwoju jak i w dorosłym organizmie,
(c) Apoptoza jest indukowana w komór- tak jak to przedstawiłem w bardzo dużym
kach nowotworowych hamując ich wzrost uproszczeniu powyżej (Ryc.10B). Przypusz-
przez tak zwany czynnik martwicy nowotwo- czamy, że powstanie tego repertuaru wy-
ru (ang. tumour necrosis factor, TNF), który magało wielokrotnych duplikacji pierwot-
przyłącza się do odpowiedniego receptora nego  pragenu kodującego kaspazę. Warto
Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzęcego
413
zauważyć, że białko Apaf 1 występuje w regulacja funkcji genów w procesie apop-
dwuczÄ…steczkowych kompleksach wraz z tozy nie dotyczy ich transkrypcji, lecz wy-
jego inhibitorem Bcl2 i że aktywacja białka tworzonych już białek, czyli ma charakter
Apaf1 wymaga jego uwolnienia z tych kom- post translacyjny.
pleksów. W przeciwieństwie do genów hox
DZIAA
ANIE DOBORU NATURALNEGO NA MUTACJE, KTóRE WPROWADZAJ
ISTOTNE ZMIANY
W BUDOWIE ORGANIZMU
W dotychczasowym tekście starałem się re występują wewnątrz populacji i prowa-
wykazać, że w wielu przypadkach podobne dzą do specjacji. Takie założenie naruszałoby
(homologiczne) geny programu rozwojowe- spójność całej teorii ewolucji i nie znajduje
go występują w całym świecie zwierząt (np. żadnego uzasadnienia empirycznego. Niekie-
geny hox, geny kodujÄ…ce ²-kateninÄ™ i geny dy sugerowano wystÄ™powanie  makromuta-
regulujÄ…ce funkcje ²-kateniny) i że geny te w cji , które obejmowaÅ‚yby wiele genów jedno-
bardzo odległych ewolucyjnie grupach zwie- cześnie i które można by przeciwstawić zwy-
rząt regulują podobne mechanizmy rozwoju kłym mutacjom. Okazało się jednak, że mu-
związane z hierarchiczną regulacją transkryp- tacje chromosomowe, które z definicji mogą
cji genów, albo z hierarchiczną regulacją obejmować duża liczbę genów, a w tym po-
funkcji białek na poziomie post translacyj- liploidalność (która jest szczególnie częsta
nym. Dlatego można spekulować, że wspól- w świecie roślin) nie powodują  makroefek-
ny przodek wszystkich zwierząt posiadał tów , czyli dużych zmian morfologicznych. Z
pewien pierwotny zestaw genów programu kolei, mutacje punktowe, czyli błędy w repli-
rozwoju i że posiadanie tego zestawu genów kacji pojedynczych nukleotydów, bądz
muta-
było warunkiem, który umożliwił ewolucję cje typu insercji/delecji zachodzą w ten sam
organizmalną świata zwierzęcego. W trak- sposób w całym genomie. Mogą one jednak
cie tej ewolucji geny programu rozwojowe- mieć bardzo różne konsekwencje fenotypo-
go podlegały duplikacjom, następnie dalszej we w zależności od miejsca ich występowa-
ewolucji zduplikowanych kopii, i tworzyły nia: (i) mutacje zachodzące w niekodujących
coraz bardziej złożone układy hierarchicznej odcinkach DNA nie będą przekładane na
regulacji ich funkcji. Podany przeze mnie zmiany fenotypu danego organizmu; (ii) inne
przegląd genów programu rozwoju i szlaków mutacje punktowe, występujące w obrębie
rozwojowych wspólnych dla całego świata DNA kodującego białka i zmieniające amino-
zwierzęcego jest oczywiście niepełny i z ko- kwasy (nie-synonimiczne) mogą dotyczyć sto-
nieczności bardzo uproszczony. sunkowo drobnych cech, chociaż istotnych
Wielokrotnie w przeszłości przeciwstawia- dla szansy przeżycia zwierzęcia, takich jak
no mikroewolucję, czyli ewolucje w obrębie n. p barwa włosów czy upierzenia, długość
poszczególnych gatunków i makroewolucję, włosa itp.; (iii) wreszcie pojedyncze mutacje
która dotyczy istotnych różnic w budowie w obrębie genów programu rozwoju, takich
ciała różnych organizmów. Zgodnie z tym, co jak geny homeotyczne lub szerzej geny hox,
przedstawiłem w tym artykule, można przy- a także w genach kodujących białka szlaków
jąć, że makroewolucja = ewolucja progra- związanych z degradacją bądz
funkcjÄ… wolnej
mu rozwoju, i tak termin ten jest rozumiany niespolimertyzowanej ²-kateniny mogÄ… mieć
przez współczesnych biologów rozwoju. Roz- natychmiastowe dramatyczne konsekwencje
różnienie pomiędzy makro- i mikroewolucją dla budowy ciała zwierzęcia6.
kryje w sobie jednak pewną pułapkę. Rodzi Amerykański genetyk Goldshmidt wpro-
ono bowiem pokusę, aby przypisywać ma- wadził kiedyś pojęcie  hopefull monsters ,
kroewolucję działaniu innych mechanizmów, czyli  nadziejnych potworów (tłumaczenie z
niż te mechanizmy doboru naturalnego, któ- ang. wg Adama Urbanka) i miał na myśli mię-
6
Warto zauważyć, że mutacje całkowicie znoszące funkcje poszczególnych genów hox, lub ich delecje prowadzą
z reguły do śmierci muchy już na stadium larwy (brak przeobrażenia). Ponieważ u ssaków występują 4 zespoły
genów hox, więc nokauty poszczególnych genów są często częściowo kompensowane przez pozostałe kopie, ale
nawet wtedy sÄ… one z
ródłem poważnych wad genetycznych (ubytki elementów kostnych w kończynach). Muta-
cje biaÅ‚ek regulujÄ…cych fosforylacje ²-kateniny u muchy powodujÄ… brak przeobrażenia larw, których segmenty
wykazują brak lub nadmiar ząbków kutikularnych. Można oczekiwać, że analogiczne mutacje u kręgowców będą
nie tylko letalne ale będą zaburzać wczesny rozwój embrionalny.
Andrzej KAczAnowsKi
414
dzy innymi mutacje opisanych wyżej much nowotwory złośliwe typu melanoma. Analiza
czteroskrzydłych, które powstają w wyniku genetyczna tych mieszańców wykazała, że w
mutacji homeotycznych. Ktoś jednak celnie gatunku x. maculatus występuje dodatkowy
zauważył, że z punktu widzenia doboru na- gen oznaczany jako Tu, lub xmrk2, który
turalnego owe  hopeful monsters sÄ… raczej jest onkogenem (Tu z ang. tumor , czyli no-
 hopeless monsters , ponieważ czteroskrzy- wotwór). Jest to zduplikowana i zmutowana
dłość muchy nie będzie zharmonizowana kopia innego genu xmrk1, który występuje
z budową reszty ciała i taka mucha w zwy- u obu gatunkach ryb i koduje receptor ki-
kłych warunkach będzie eliminowana przez nazy tyrozynowej (wAlter i KAzAnis 2001).
dobór naturalny. Wydaje się, że istotna zmia- Gen Tu/xmrk2 u gatunku x. maculatus jest
na budowy (zmiana  makro ) jednego narzą- pod kontrolą supresora Dif i powoduje, że
du czy elementu budowy musi być zharmo- na ciele ryby występują jedynie stosunkowo
nizowana z budową reszty ciała i to szcze- niewielkie plamy melaninowe, ale nie rozwi-
gólnie wtedy, kiedy zwierzę stanowi aparat ja się melanoma. Aktywny supresor Dif nie
latający. Wprawdzie hierarchiczna regulacja występuje jednak u gatunku x. helleri. Krzy-
funkcji genów homeotycznych i innych ge- żówki międzygatunkowe pomiędzy x. macu-
nów programu rozwoju stwarza możliwość latus i x . helleri mogą stanowić doskonały
zharmonizowania zmian w budowie organi- materiał do badań nad nowotworami typu
zmu, ale nie wydaje siÄ™, aby pojedyncza rady- melanoma i ich supresjÄ…. Pozostaje jednak
kalna zmiana budowy mogła być tolerowana pytanie, w jaki sposób mógł powstać układ
przez dobór naturalny zanim nie nastąpiła dwóch genów x. maculatus, który indukuje
koewolucja innych cech budowy. W bardzo i kontroluje plamy ciemnego ubarwienia skó-
szczególnych warunkach możliwe są jednak ry. Nawet zakładając, że takie ubarwienie ma
następujące scenariusze. pewną wartość adaptacyjną, trudno sobie wy-
(1) Bardzo mała grupa przypadkowych obrazić, że przeważała ona nad skłonnością
osobników, która w wyniku migracji zakłada do nowotworzenia, zanim powstał odpowied-
nową populację w nowym środowisku nie ni supresor. A jeśli tak, to zachodzi pytanie,
musi być dobrą i pełną reprezentacją wyj- w jaki sposób nastąpiło utrwalenie się w po-
ściowej populacji. Jeżeli wśród nich znajdu- pulacji dodatkowego zduplikowanego genu,
ją się nosiciele mutacji programu rozwoju który stał się onkogenem. Można oczywiście
to istnieje szansa, że w następnych pokole- przypuścić, że mutacje supresora wyprzedzi-
niach cechy te będą podlegały takiej ekspre- ły duplikacje i mutacje onkogenu. Ale i wów-
sji, która wymusi dostosowanie innych cech czas nie wiemy, jaką wartość adaptacyjną
budowy, pomimo tego, że dobór naturalny posiadał supresor melanomy, zanim pojawił
eliminowałby te same osobniki gdyby pozo- się właściwy onkogen skoro supresor ten nie
stały one w obrębie macierzystej populacji. występuje w pokrewnym i obecnie współwy-
Wówczas utrwalenie się mutacji programu stępującym gatunku x. helleri. Wydaje się, że
rozwoju w populacji następowałoby w wy- w obu przypadkach powstanie omawianego
niku następującego po sobie działania dryfu układu dwóch genów x. maculatus mogło
genetycznego i doboru naturalnego zgodnie zajść w przeszłości jedynie w bardzo małych
z artykułem Korony w tym zeszycie KO- izolowanych populacjach, w których dryf
SMOSU. Byłby to jednak skrajny przypadek genetyczny przeważał nad doborem cech o
działania dryfu genetycznego i powstaje wąt- stosunkowo małej wartości dostosowawczej
pliwość, czy proponowany wyżej scenariusz lub nawet takich cech, które w zwykłych wa-
jest chociaż w części prawdopodobny. Ist- runkach byłyby eliminowane przez dobór.
nieją jednak pewne dane, które przynajm- Pozostaje na razie kwestią otwartą, czy w po-
niej częściowo sugerują taką możliwość. W dobny sposób kiedykolwiek mogło zachodzić
Ameryce Środkowej występują dwa bardzo utrwalanie się początkowo silnie niekorzyst-
blisko spokrewnione gatunki ryb z rodza- nych mutacji homeotycznych.
ju xiphophorus. (Są to tak zwane mieczyki, (2) Wiadomo, że działając parami eteru
często hodowane w akwariach). Jeden gatu- na wczesne zarodki normalnych, a więc nie
nek, x. maculatus, posiada niewielkie plamy zmutowanych much można uzyskać feno-
pigmentowe na powierzchni ciała, a drugi, kopie mutacji bithorax, czyli czteroskrzy-
x. helleri, takich plam nie posiada. Na dro- dłość muchy. Chociaż trudno wyobrazić
dze sztucznej inseminacji można otrzymać sobie środowisko, w którym występowałby
mieszańce międzygatunkowe i wówczas w eter, to z drugiej strony w  dawnych cza-
drugim pokoleniu mieszańców rozwijają się sach ( dawnych w odniesieniu do historii
Ewolucja istotnych cech budowy organizmu zwierzęcego
415
życia na ziemi) mogły występować jakieś rax, lecz prowadziły do stopniowej krok po
szczególne warunki, całkowicie inne niż te, kroku redukcji wielkości drugiej pary skrzy-
które nam są znane, obecnie powodujące deł owada i liczby odnóży stawonogów, tak
duże zmiany fenotypowe przy tym samym jak na to wskazywali rAghAusen i współaut.
genotypie, na przykład redukcję drugiej (2002). Wówczas  makroewolucja zachodzi-
pary skrzydeł owada lub odwrotną zmia- łaby na drodze kumulacji drobnych zmian
nę. Wówczas mutacje, które w normalnych (modyfikacji budowy narządów), które pod-
warunkach dawałyby ten sam efekt, byłyby legałyby selekcji wewnątrz populacji tak jak
mutacjami neutralnymi i jako takie prędzej wszystkie inne mutacje, zgodnie z kanonem
czy póz
niej ulegałyby utrwaleniu w popula- opisywanym w innych artykułach w tym ze-
cji poprzez dryf, a po tym byłyby zachowa- szycie KOSMOSU (jerzMAnowsKi, KoronA
ne po ustąpieniu owych szczególnych wa- łoMnicKi, pilot). A
atwo zauważyć, że wyżej
runków. wymienione mechanizmy (1), (2) i (3) nie
(3) Niektóre mutacje w genach home- wykluczają się wzajemnie i żaden z nich nie
otycznych być może miały nie tak radykalny wymaga przyjęcia założeń sprzecznych z teo-
charakter jak obecnie znane mutacje bitho- riÄ… doboru naturalnego.
EVOLUTION OF MAJOR CHANGES IN ANIMAL MORPHOLOGY.
REMARKS ON EVOLUTION OF ANIMAL DEVELOPMENTAL PROGRAM AND ON HUMAN
GENETIC HERITAGE
S u m m a r y
Evolution of complex organisms required addi- apoptosis pathways in animal development, evolu-
tions of new gene loci and appearing of new func- tion, and homology of genes involved in these regu-
tions by duplications of preexisting genes and subse- lations (ortolologous and paralogous) are discussed
quent diversification of duplicated copies. However, in this article. It may be speculated that a common
the number of genes in genome is surprisingly low ancestor of all animals contained a set of genes of
in animal and human genomes, since it is limited by developmental program which was prerequisite for
genetic load, which is a function of mutation rate animal evolution. There is some difficulty in expla-
and real number of genes,. The genetic information nation how extensive morphological changes could
of a higher organism is organized in a very econom- be favoured by natural selection. The problem of
ical way. There is hierarchical regulation of genes  macroevolution may be reduced to evolution of
transcription by transcription factors, and pathways developmental program. However, this evolution did
of post translational regulation of activity of gene not require special mechanisms not consistent with
products that are common for the whole animal paradigms of the theory of evolution.
kingdom. The roles of hox genes, wnt/catenin and
LITERATURA
Averof M., AKAM M., 1995. hox genes and diversi- internAtionAl huMAn genoMe sequencing consor-
fication of insects and crustacean body plans.
tiuM, 2004. Finishing the euchromatic sequence
Nature 376, 420 423.
of the human genome. Nature 431, 931 945.
cApechi M., 1994. Gen naszym celem. Åšwiat Nauki
jAcquArd A., 1974. The genetic structure of popula-
5, 36 63.
tions. Springer Verlag, Berlin Heidelberg New
funAyAMA n., fAgoto f., Mc creA p., guMbier P. M.,
York.
1995. Embryonic axis induction by the armadi- KAczAnowsKi A., KAczAnowsKA J., 2000. Mechanizmy
lo repeat domain of ²-catenin. J. Cell. Biol. 128,
przestrzennego różnicowania zarodka. Post.
959 968.
Biol. Kom. 28, 69 98.
gerhArt j., Kirshner M., 1997. Cells, Embryos and
KAczAnowsKi A., KAczAnowsKA J., 2002. Rola progra-
Evolution Blackwell Science Inc., Malden, Mass
mu genetycznego i sygnałów zewnątrzkomór-
1 642.
kowych w embriogenezie bezkręgowców. [W:]
gilbert S. F., 2006. Developmental mechanisms of
Molekularne Mechanizmy Rozwoju zarodkowe-
evolutionary change. [W:] Developmental Biol- go. KrzAnowsKA H., soKół W., MisiAK L. (red.).
ogy. gilbert S. F. (red.). Wyd. 8, Sandauer Assoc.
Wydawnictwo Naukowe PWN Warszawa, 9 104.
Inc, Sunderland Mass, 721 752.
KrzAnowsKA H., 1997. Zapis informacji genetycznej.
hobMAyer B., rentzch f., Kuhn K., hAppel c. M.,
[W:] Zarys Mechanizmów ewolucji. KrzAnowsKA
rotbAcher u., holstein T. W., 2000. Wnt signal- H., Å‚oMnicKi, A. (red), Wydawnictwo Naukowe
ing molecules act in axis formation in the diplo- PWN, Warszawa 17 68.
blastic metazoan hydra. Nature 407, 186 189.
Kubicz A., 1999. Tajemnice Ewolucji molekularnej,
internAtionAl huMAn genoMe sequencing consor- Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa.
tiuM, 2001. Initial sequencing and analysis of
MAKAÅ‚owsKA J., KAbzA M., cioMborowsKA j., 2009.
the human genome. Nature 409, 860 921.
Ewolucja struktury genów. Kosmos 58, 5 16
Andrzej KAczAnowsKi
416
Mcginnis W., Kundziera M., 1994. Molekularni ar- ohno S., 1985. Dispensable genes. Trends Genet.
chitekci. Åšwiat Nauki 4, 38 44. 160 164.
MurAKAgi Y., Mundlos s., upton j., olsen B. R., rAnghAusen M., Mcginnis N., Mcginnis W., 2002
1966. Altered growth and branching pattern in hox protein mutation and macroevolution of
synpolydactyly caused by mutation in hox D13. the insect body plan. Nature 415, 914 917.
Science 272, 548 551. wAlter R. B., KAzAnis S., 2001. xiphophorus inter-
nobel prize internet Archive. Nobel Prize in Physi- species hybrids as genetic model of induced neo-
ology or Medicine winners 1901 2008. plasia. Ilar J. 42, 299 321.