Pamięć ewolucji

Genom ma dobrą pamięć - zapisana jest w nim cała nasza ewolucyjna przeszłość. Ślady chorób, na które zapadaliśmy, a nawet duchy mikrobów, które je wywoływały.

Jednym z największych cudów opisanych w Biblii było przywrócenie przez Jezusa wzroku człowiekowi ślepemu od urodzenia. Niedawno naukowcy donieśli, że dokonali jeszcze większego wyczynu: przywrócili wzrok ślepemu od narodzenia gatunkowi. I to przez krzyżowanie kompletnie niewidzących osobników!

Utrata wzroku zdarza się w ewolucji dość często, w zasadzie zawsze, gdy gatunek przestaje korzystać z oczu. I dzieje się to szybko. Wszystkie ryby jaskiniowe, nawet te, które dopiero niedawno skolonizowały podziemny świat, mają zdegenerowane oczy i są całkiem ślepe (to samo dotyczy też innych żyjących w jaskiniach zwierząt, zarówno kręgowców, choćby płazów, jak i bezkręgowców, np. owadów i pająków). W każdym z tych przypadków ślepota następowała na skutek gromadzenia się szkodliwych mutacji w genach, odpowiedzialnych za powstawanie funkcjonalnych oczu. Narząd ten jest niezwykle skomplikowany i tworzy się za sprawą współdziałania wielu genów, przeto i dróg do ślepoty jest wiele. Czasem więc wystarczy mutacja dezaktywująca jeden tylko gen, by proces formowania się oczu skutecznie zakłócić.

Wiele gatunków ryb jaskiniowych ma jednak bliskich krewnych żyjących na powierzchni, cieszących się, oczywiście, dobrym wzrokiem. Jeśli rozejście się dróg ewolucyjnych spokrewnionych gatunków zaszło w niedalekiej przeszłości, możliwe jest ich krzyżowanie - w takim przypadku ich potomstwo niemal zawsze odzyskuje wzrok. Przyczyna jest prosta: każdy ze zmutowanych, nieczynnych genów ma swój funkcjonalny odpowiednik u form powierzchniowych. Dzięki temu u mieszańców, u których każdy gen występuje w dwóch wariantach (matczynym i ojcowskim), da się złożyć cały genetyczny program odpowiedzialny za widzenie świata.

Duchy dawnych genów
Widzące potomstwo niewidzącego rodzica (nawet jeśli ów rodzic pochodzi z linii ślepej od setek tysięcy lat) nie jest więc czymś nadzwyczajnym - to jeszcze nie cud. Ale możliwe jest coś znacznie dziwniejszego: przywrócenie wzroku poprzez krzyżowanie dwóch linii ślepych ryb, z których każda utraciła wzrok przed z górą milionem lat. A to już wydaje się ocierać o zjawiska nadprzyrodzone.

Takie doświadczenie przeprowadził zespół Richarda Borowsky'ego z Nowego Jorku i wyniki swych prac opublikował w styczniowym numerze "Current Biology" (2008). Do badań użyto dobrze znanych właścicielom akwariów rybek tetra (kąsaczowate, należą do nich np. popularne neonki) z Meksyku, żyjących zwykle w potokach i strumieniach górskich, ale także na obszarach silnie skrasowiałych, w rozległych systemach jaskiń uformowanych przez wody podczas plejstocenu. Te żyjące pod ziemią tetry z 29 głębokich jaskiń rozrzuconych po terytorium całego Meksyku mają bardzo zdegenerowane oczy (lub nie mają ich wcale) i wszystkie mają swych naziemnych kuzynów, odznaczających się doskonałym wzrokiem. Co ważne, wszystkie są ze sobą spokrewnione (choć pokrewieństwo jest różne) i mogą się krzyżować, wydając na świat płodne potomstwo. Krzyżówki form ślepych i widzących odzyskują wzrok - była już o tym mowa - ale Borowsky postanowił sprawdzić, jak będą wyglądać mieszańce rodziców jaskiniowych, gdy matka i ojciec pochodzą z różnych populacji (i różnych jaskiń). Wyniki okazały się zaskakujące: wśród potomstwa ślepych rodziców zawsze część rodziła się z w pełni rozwiniętymi (choć mniejszymi) oczami i odzyskiwała wzrok (co wykazano, skłaniając rybki do podążania za seriami poruszających się błysków światła). Jak to możliwe?

Borowsky, który zainteresował się tetrami już wcześniej, zanalizował ich geny wzroku i stwierdził, że u jednej z populacji jaskiniowych występowały one w 12 różnych odcinkach genomu rozrzuconych na wielu chromosomach. Mutacje każdego z tych odcinków (lub różnych ich kombinacji) mogły prowadzić do ślepoty, więc w każdej z populacji te defekty zjawiały się w różnych miejscach; hybrydy dziedziczyły więc zwykle po rodzicach przynajmniej jeden funkcjonalny odpowiednik zmutowanego genu. Odzyskiwanie wzroku polegało więc na odtwarzaniu zawartej wciąż w genomie, choć formalnie skasowanej informacji - dokładnie tak samo jak odzyskiwanie formalnie skasowanych, choć fizycznie wciąż obecnych na dysku plików.

Ów cud przywrócenia wzroku ślepemu od miliona lat gatunkowi dobrze ilustruje naczelną zasadę ewolucji, którą nazwać można pamięcią przeszłości. Genom pamięta minione dzieje, bo zapisane w nim informacje nigdy (lub rzadko - wyjątkiem są tzw. delecje, czyli fizyczne usunięcie fragmentu DNA) nie zostają całkowicie zatarte, a jedynie z czasem mogą się degradować. Obok genów funkcjonalnych są w nim również duchy dawnych, a więc skasowanych genów, dziś już niefunkcjonalne (tzn. niekodujące białek), ale wciąż niosące ważne, choć w części już zatarte informacje. Te duchy to pseudogeny - odcinki DNA, które z czasem utraciły funkcjonalność, ale wciąż mogą być porównywane z homologicznymi i aktywnymi genami u spokrewnionych gatunków. Na ludzkich chromosomach zajmują one bardzo dużo miejsca.

Pamięć historii
Część z nich to geny zmysłów, które - jak wzrok u zwierząt jaskiniowych - przestały być potrzebne; np. narząd powonienia, który u ssaków odgrywał zawsze ogromną rolę, ale u małp (a w linii ludzkiej w szczególności) utracił swe znaczenie. Małpy bowiem jako jedyne ssaki odzyskały utracone przed 200 milionami lat widzenie barw (ssaki przeszły wówczas na nocny tryb życia i choć światło wciąż było dla nich ważne, to kolory już nie). W efekcie geny tracącego znaczenie węchu powoli się dezaktywowały i dziś, już jako pseudogeny, stanowią tylko wspomnienie naszej dawnej przeszłości. Gdyby choć niektóre z nich dało się - jak u tetr - ożywić, moglibyśmy odzyskać utracony w procesie ewolucji czuły węch.

Pamięć historii zapisana w genach (i bardziej jeszcze w pseudogenach) nie ogranicza się jednak do zmysłów, bo przechowuje wspomnienia wszystkich adaptacji i - szerzej - wszystkich przebytych zdarzeń. W swej wielkiej, a mało znanej, bo trudnej książce "Opowieści przodków. Pielgrzymka do początków życia" (2004) Richard Dawkins przyrównuje nasz (i każdy inny) genom do tybetańskiej Księgi Umarłych: "Wszystko, co dotyczy zwierzęcia czy rośliny, w tym budowa ich ciał, ich odziedziczone po przodkach zachowania czy chemizm ich komórek, to zakodowany przekaz na temat świata, w którym żyli ich przodkowie: pokarmu, jaki spożywali, drapieżników, przed którymi się chronili, klimatów, które znosili (...). Wszystko, co wiąże się z żyjącym zwierzęciem, zarówno jego genom, jak i budowa ciała, jest swego rodzaju archiwum albo kroniką przeszłości, nawet jeśli ta kronika jest palimpsestem, a tekst wielokrotnie był kopiowany i nadpisywany jeden nad drugim".

To również księga przebytych chorób i sposobów ich zwalczania. Dobrze ilustruje to porównanie niskiej ludzkiej i wysokiej małpiej odporności (lub podatności) na takie choroby jak AIDS. Jak się zdaje, dzisiejsze kłopoty z wirusem HIV są pochodną epidemii, którą nasi antenaci zwalczyli w odległej przeszłości, a która zaatakowała przodków małp, wywołując u nich pandemię podobną do dzisiejszej. Wszystko to zapisało się w naszych (i ich) genomach.

Człowiek a małpa
Wśród wielu plag, które spadały na ludzkość, wirusy stanowiły grupę szczególną. Choć minione epidemie dawno odeszły w niepamięć, a wiele wirusów, które je wywoływały, już nie istnieje, to część - zwłaszcza retrowirusy - pozostawiła w naszych genach niezatarte ślady. Więcej nawet, ich geny stanowią dziś znaczącą część naszego genomu.

Retrowirusy (takie jak HIV) atakują żywicieli, wbudowując swe DNA (ich genom buduje RNA, przepisywane już po zakażeniu na DNA) do aparatury genetycznej gospodarza i manipulując nią w celu wytwarzania milionów swoich kopii, zakażających kolejne komórki gospodarza, a także inne osobniki. Największym szczęściem, z punktu widzenia wirusa, jest zakażenie komórek rozrodczych (plemników i komórek jajowych), gdyż to otwiera im drogę do wszystkich bez wyjątku komórek w następnym pokoleniu; poniekąd retrowirusy na równi z rodzicami dziecka wyposażają je w materiał genetyczny na przyszłe życie. W ten sposób wirusy - a raczej ich materiał genetyczny - zadomawiają się w każdej z miliardów komórek nowego osobnika, stając się jego integralną częścią. W tym stanie, niejako uśpionym, mogą aktywizować się po latach lub czekać, aż z plemnikami lub jajami swego gospodarza zainfekują jego dzieci i powielą się znów w miliardach egzemplarzy.

Ale mogą się też nie doczekać, bo z czasem w tych uśpionych wirusach gromadzą się mutacje (w każdej z ich kopii inne), które mogą wyłączyć ich zdolność do zakażania nowych komórek. Taki wirus zostaje, odwołując się do komputerowej nomenklatury, skasowany i jeśli znajdzie się w komórkach płciowych, przechodzi jako śmieciowy DNA do następnego pokolenia. W puli genowej gatunku zaczynają gromadzić się duchy dawnych wirusów - całkiem już nieszkodliwe (choć zajmujące miejsce na chromosomach) wspomnienie dawnych epidemii, które ów gatunek nawiedzały (w ludzkim genomie takie kopalne wirusy zajmują aż 8 procent miejsca na chromosomach). Gdy porównamy genomy człowieka i innych naczelnych, tak niezwykle podobne do siebie, stwierdzimy, że znaczna część różnic między nami a małpami to odmienny ładunek duchów wirusów (a nie jakieś nasze szczególne geny inteligencji na przykład!), które odziedziczyliśmy po przodkach.

Zaśmiecony genom
W roku 2005 ukazała się praca Evana Eichlera z Washington School of Medicine w Seattle porównująca te tzw. endogenne wirusy u różnych naczelnych. Wynikało z niej, że genomy naszych najbliższych krewnych (szympansa i goryla) są dosłownie zapchane skasowanymi kopiami wirusa zwanego PtERV1, który w ludzkim DNA jest w ogóle nieobecny. Ale, co ważniejsze, okazało się, że może to rzucać światło na zagadkę, dlaczego ludziom zagraża teraz epidemia AIDS, a małpy, od których wirusa HIV przejęliśmy, są na nią uodpornione.

Przodkowie ludzi i wielkich małp zamieszkiwali z grubsza te same tereny w Afryce i musieli być wystawieni na ataki ze strony tych samych mikrobów. Jeśli małpy okazały się bezbronne wobec wirusa PtERV1 (inaczej nie dostałby się on, i to w takich ilościach, do ich komórek), a praludzie odporni, to różnica leżała zapewne w naszym (i ich) układzie odpornościowym. Przed atakami retrowirusów chroni nas białko zwane TRIM5a, które przytwierdza się do zewnętrznej osłonki wirusa i wysyła sygnał do innych białek, by go zniszczyły. Różne małpy mają swe własne wersje TRIM5a, chroniące różne ich gatunki przed różnymi wirusami. Wedle Shari Kaiser z University of Washington (której pracę opublikował w ubiegłym roku tygodnik "Science"), nasza wersja TRIM5a okazała się skuteczna przeciw PtERV1, a małpia - nie. By sprawdzić tę hipotezę, uczona przeprowadziła niezwykłe doświadczenie: z zachowanych w genomie szympansa szczątków dawno wymarłego wirusa PtERV1 złożyła znaczną część jego oryginalnej sekwencji i wbudowała ją do genomu żyjącego wirusa MLV, otrzymując w pełni funkcjonalną hybrydę. Tak otrzymany sztuczny (ale żywy) wirus zakażał skutecznie komórki ssaków w laboratorium, ale w obecności ludzkiego TRIM5a tracił niemal całą swoją zjadliwość. Było to niejako przywrócenie dramatów i sukcesów sprzed setek tysięcy lat: przypomnienie pandemii, które dziesiątkowały przodków wielkich małp, i odporności, jaką cieszyli się nasi antenaci.

Ale - i tu zaczyna się najbardziej fascynująca część doświadczeń Kaiser - nasza odporność na groźnego wirusa atakującego kiedyś małpy mogła wystawić nas dziś na nową i niejako odwrotną sytuację: bezbronność wobec wirusa HIV, na którego inne małpy od dawna są odporne. Kiedy Kaiser przywróciła białko TRIM5a do jego pierwotnej, małpiej postaci, stwierdziła, że zyskało ono zdolność do zwalczania HIV, tracąc skuteczność wobec PtERV1 - w istocie żadna z małpich wersji TRIM5a nie jest w stanie zwalczać jednocześnie obu wirusów. My, ludzie, jesteśmy odporni na PtERV1, ale bezbronni wobec HIV - u małp jest sytuacja odwrotna. Nasz sukces w obliczu dawnych epidemii, który kiedyś pozwolił nam przetrwać i umocnić pozycję, dziś zbiera ponure żniwo.

Ospa pokonana
W 2006 r. na zjeździe WHO podjęto niecodzienną decyzję ostatecznego uśmiercenia jednego z gatunków, który mógłby trwać nadal. Choć dziś, w dobie rozbudzonej świadomości ekologicznej, krok taki wydaje się niezrozumiały, w rzeczywistości nie była to typowa sytuacja - chodziło bowiem o gatunek wirusa czarnej ospy, który przyniósł w historii największe nieszczęścia ludzkości. Jednak teraz, po dziesięcioleciach bezprecedensowej walki, został on całkowicie pokonany i w stanie dzikim już nie występuje. Pozostały jedynie jego zamrożone szczepy przechowywane pod specjalnym nadzorem w instytutach w Moskwie i Atlancie. Chodziło tylko o to, czy je ostatecznie unicestwić, biorąc niejako odwet na najgorszym z naszych zabójców.

Czy fizyczne zniszczenie ostatnich na Ziemi wirusów ospy oznaczać będzie ich całkowitą eliminację? Nie do końca. Wirusy nie są zwykłymi organizmami, a ich gatunki nie są zwykłymi gatunkami. Są właściwie czystą informacją genetyczną - bez ciał, bo ciałem są dla nich gospodarze, których komórki wykonują instrukcje zapisane w genomie wirusa. A informacje można przechowywać na dowolnych nośnikach, np. na twardym dysku komputera, gdzie nawet są one bezpieczniejsze - nie tylko dla nas, ale i dla samego wirusa. W tej postaci bowiem genom wirusa nie może już nikogo zakazić, a jednocześnie jest odporny na mutacje; taki komputerowy gatunek może trwać praktycznie w nieskończoność. A genom tego wirusa został poznany do ostatniej litery, dlatego jego unicestwienie będzie w istocie tylko przeniesieniem do innej, wirtualnej rzeczywistości.
Ale możliwa jest też sytuacja odwrotna, gdy wirus pozostający już tylko w cyfrowej - choć naturalnej - postaci, zostaje przywrócony do prawdziwego, organicznego życia. Czas więc na największy z biblijnych cudów: zmartwychwstanie. I on bowiem doczekał się już realizacji.

Doświadczenie, które do tego doprowadziło, przypominało to z wirusem PtERV, ale tym razem sprawę doprowadzono do samego końca - do ożywienia organizmu, którego gatunek wymarł już dawno temu i zachował się jedynie w postaci informacji genetycznej wbudowanej w naszych chromosomach. Paul Bieniasz z Rockefeller University badał ślady endowirusów w ludzkim genomie i wyizolował te z nich, które uległy "skamienieniu" stosunkowo niedawno. Nagromadzone w nich zmiany mutacyjne były niezbyt liczne, co wskazywało, że wirus był jeszcze aktywny przed kilkuset tysiącami lat. Dobierając homologiczne sekwencje DNA z fragmentów różnych prowirusów, Bieniasz zdołał odtworzyć cały genom, przywracając mu zdezaktywowane fragmenty. By sprawdzić, czy zmartwychwstały w ten sposób wirus odzyskał swe funkcje życiowe, wszczepił go do hodowanych w laboratorium komórek ludzkich. W krótkim czasie wirus podczepił się pod naszą maszynerię ekspresji genów i zaczął produkować własne białka strukturalne, wytwarzając nowe osobniki i integrując się - z powrotem, po setkach tysięcy lat
- do genomu swego gospodarza.

Wirus zmartwychwstały
Przywrócenie do życia organizmu choćby wirusowego i to z samej informacji poskładanej z zachowanych kawałków to wyczyn nie lada. I choć daleko jeszcze do ożywienia takich wymarłych gatunków, jak mamuty czy wilki workowate, których zdegradowane fragmenty DNA też zachowały się do dzisiaj, ożywione zostały przynajmniej nadzieje, że kiedyś będzie to możliwe. A w każdym razie, że przeszłość
- za sprawą samej istoty życia - nie ginie nigdy bezpowrotnie.

---