18 czerwca 2019
Strona główna Tagi Mutacje

Tag: mutacje

Znajdowanie Adama i Ewy w naszym DNA (cz. II)

zobacz: Znajdowanie Adama i Ewy w naszym DNA (cz. I) Marta Cuberbiller Anglikański prymas kościoła Irlandii z XVII wieku, James Ussher (1581-1656), potraktował poważnie genealogie biblijne...

Granice zmian ewolucyjnych

Marta Cuberbiller Czego dotyczy spór ewolucjonizmu z kreacjonizmem? Potocznie uważa się, że kreacjonizm jest negacją ewolucjonizmu. Ale to błędny pogląd. Nie wystarczy zanegować jakieś twierdzenie ewolucjonisty,...

PRZESZKODA DLA KORZYSTNYCH MUTACJI

Ewolucjoniści głoszą, że każdy organizm żywy powstał w procesie ewolucji od jakiegoś pierwotnego organizmu jednokomórkowego. Rozwój ten według neodarwinistów odbywa się dzięki istnieniu dziedzicznej zmienności i działaniu doboru naturalnego. Podstawą dziedzicznej zmienności są mutacje – korzystne, niekorzystne i neutralne – zachodzące w materiale genetycznym. Spośród tych trzech dla koncepcji ewolucjonistycznej najważniejsze są oczywiście mutacje korzystne – one bowiem mają odpowiadać za pojawianie się coraz lepszych przystosowań.

Krytycy teorii ewolucji zwracają jednak uwagę na to, że korzystnych mutacji właściwie się nie obserwuje lub obserwuje się bardzo rzadko – jeśli za korzystną uznać mutację wywołującą anemię sierpowatą, która chroni przed śmiercią z powodu malarii, czy mutacje powodujące odporność bakterii na niektóre substancje chemiczne.[1] W jednym z takich krytycznych artykułów autorzy zwrócili uwagę na pewną cechę większych genomów, która podkopuje wiarygodność mechanizmu mutacje + dobór naturalny jako mechanizmu twórczego ulepszania genomów. Autorzy tego artykułu zajęli się mianowicie problemem, w jaki sposób istnienie nakładających się (zachodzących na siebie) kodów genetycznych wpływa na prawdopodobieństwo zajścia korzystnej mutacji.[2]

Pojęcie kodu genetycznego odnosi się do zależności pomiędzy sekwencją nukleotydów w DNA a pojawianiem się określonych skutków biologicznych. Na przykład w powszechnie znanym trójkowym kodzie genetycznym, za którego pomocą kodowane są białka, pewne sekwencje DNA ulegają przepisaniu na cząsteczki pośredniczące (mRNA), a następnie „odczytywane” są w ten sposób, że trzy nukleotydy (stanowiące tryplet, kodon) oznaczają instrukcję wstawienia jednego określonego aminokwasu. Odczytywanie trypletów zgodnie z kolejnością ich ułożenia w sekwencji nukleotydów prowadzi do realizowania instrukcji dotyczących łączenia aminokwasów w prawidłowej kolejności, warunkującej prawidłowe funkcjonowanie białek. Okazuje się jednak, że nie jest to jedyny kod genetyczny i nie jest to jedyny poziom zapisanej informacji genetycznej.

Na przykład istnieje również kod, w którym równolegle do kodu trójkowego (kodującego instrukcje co do kolejności łączenia aminokwasów w białkach) zapisana jest inna informacja (w tych samych sekwencjach nukleotydów, jednak czytanych w inny sposób). Chodzi tutaj o kod, w którym zapisana jest informacja o występowaniu pauz w translacji, co ma znaczenie dla tworzenia właściwej struktury przestrzennej białek, zapewniającej ich funkcjonalność.[3]

Co ciekawe, część fragmentów DNA, które gdy są odczytywane z jednej nici, zawierają zakodowaną informację na temat kolejności łączenia aminokwasów w białkach, posiada również biologiczne znaczenie, gdy są odczytywane z drugiej nici – jako tzw. antysensowne transkrypty.[4]

W 1980 roku odkryto także pewien inny wzorzec sekwencji, który odpowiada za uporządkowane zwijanie (upakowywanie) nici DNA. Nazwano go kodem chromatynowym. Chodzi o periodyczne sekwencje wyznaczające miejsca, w których do DNA przyłączają się białka histonowe, na które DNA nawija się, co wpływa na jego ściślejsze upakowanie w komórce (białka te wraz z nawiniętymi odcinkami DNA to tzw. nukleosomy).[5]

DNA zawiera również informacje jeszcze innego typu, np. dotyczące procesu splicingu genów, regulacji transkrypcji, wyznaczania miejsc wiązania kohezyn. Autorzy artykułu przedstawili swoją propozycję wyodrębnienia aż szesnastu różnych kodów genetycznych odpowiadających różnym poziomom zakodowanej informacji.[6] Oczywiście nie twierdzą oni, że każdy nukleotyd w genomie ma znaczenie dla więcej niż jednego kodu. Dopuszczają nawet możliwość, że niektóre nukleotydy w ogóle nie są brane pod uwagę w żadnym kodzie. Nie twierdzą też, że istnieje choćby jeden nukleotyd, który brałby udział we wszystkich szesnastu kodach.

Dla kwestii prawdopodobieństwa zachodzenia korzystnych mutacji ważne jest to, że różne kody genetyczne mogą w mniejszym lub większym stopniu wykorzystywać te same odcinki nici DNA. Inaczej mówiąc, występowanie takich a nie innych nukleotydów w danym miejscu sekwencji może być istotne ze względu na więcej niż jeden kod. Jeśli chodzi np. o odcinki DNA kodujące aminokwasy w białkach (tzw. eksony stanowiące około 1-2% genomu), to objęte są one co najmniej dwoma kodami – trójkowym oraz dotyczącym występowania pauz podczas translacji. Część nukleotydów znajdujących się w obrębie eksonów jest istotna również ze względu na inne kody, np. kod chromatynowy, ponieważ w obrębie eksonów również znajdują się miejsca wiązania histonów.

We wspomnianym artykule przedstawiono obliczenia pokazujące, jak wielość kodów genetycznych – możliwość wykorzystania tych samych nukleotydów do kodowania informacji różnego typu – wpływa na prawdopodobieństwo ulepszenia sekwencji DNA w wyniku punktowej mutacji.[7] W obliczeniach tych przyjęto założenia, które być może zaniżają bądź zawyżają w pewnym stopniu konkretny wynik liczbowy, warto jednak zwrócić uwagę na ogólne wnioski. Po pierwsze, prawdopodobieństwo korzystnej mutacji jest tym mniejsze, im większy stopień optymalności wykazuje aktualna sekwencja. Po drugie zaś, prawdopodobieństwo korzystnej mutacji jest tym mniejsze, im więcej kodów współdzieli daną sekwencję.

Dla zobrazowania tych zależności można spróbować wyobrazić sobie akapit tekstu, w którym przy różnych sposobach czytania (wprost, wspak, co drugą literę itp.) uzyskuje się jakąś sensowną treść. Jeśli ktoś przepisze ten akapit z jedną literówką, być może uda mu się zwiększyć optymalność tekstu na jednym poziomie odczytu, chociaż o wiele bardziej prawdopodobne jest, że się ona zmniejszy. A jeśli weźmiemy pod uwagę dwa, trzy lub więcej poziomów odczytywania tego tekstu, to prawdopodobieństwo, że przynajmniej na jednym z nich nastąpi ulepszenie bez jednoczesnego uszkodzenia na pozostałych poziomach, jest jeszcze bardziej nikłe.

Chociaż jak dotąd nie wiadomo, jaka jest skala zjawiska występowania nukleotydów istotnych ze względu na informacje kodowane za pomocą więcej niż jednego kodu, to w tych obszarach DNA, w których zjawisko to ma miejsce, prawdopodobieństwo zajścia korzystnej mutacji drastycznie maleje, osiągając bardzo niewielkie wartości w stosunku do prawdopodobieństwa zachodzenia mutacji szkodliwych.[8] Obserwacje potwierdzają, że zachodzenie szkodliwych mutacji jest w genomach normalną tendencją.

Ale skoro tak jest, to jak takie rzadkie korzystne mutacje wśród przytłaczającej większości mutacji szkodliwych mogłyby stanowić wystarczające źródło ulepszania genomów?

 

Przypisy:

[1] Jednak można je uznać za korzystne tylko w takim sensie, że blokują niszczący wpływ jakiegoś jednego czynnika, nie wnoszą natomiast żadnej twórczej korzyści i w normalnych warunkach mogą okazywać się szkodliwe, jak jest w przypadku mutacji wywołującej anemię sierpowatą.

[2] Zob. George Montañez, Robert J. Marks II, Jorge Fernandez and John C. Sanford, „Multiple Overlapping Genetic Codes Profoundly Reduce the Probability of Beneficial Mutation” w: R. J. Marks II, M. J. Behe, W. A. Dembski, B. L. Gordon, and J. C. Sanford, Biological Information. New Perspectives, World Scientific Publishing Company 2013, s. 139-167 (wszystkie artykuły opublikowane w tej książce można pobrać ze strony http://tiny.pl/qzbpz, 28.01.2015 r.).

[3] Por. David J D’Onofrio, David L. Abel, „Redundancy of the genetic code enables translational pausing”, Frontiers in Genetics 2014, vol. 5, s. 1, 3, 4 [1-16], http://tiny.pl/q6nt9 (27.09.2014 r.); pisałam też o tym w tekście „«Śmieciowy» DNA i «zdegenerowany» kod genetyczny”, idź Pod Prąd 2014, nr 8-9-12 (121-122-123), s. 16.

[4] Por. Adam Master, Alicja Nauman, „Regulacja ekspresji genów przez długie naturalnie występujące antysensowne transkrypty”, Postępy Biologii Komórki 2014, tom 41, nr 1, s. 3-28, http://tiny.pl/qzv2f (27.01.2014 r.).

[5] Por. Edward N. Trifonov, „Thirty Years of Multiple Sequence Codes”, Genomics Proteomics Bioinformatics 2011, vol. 9, no 1-2, s. 1-6, http://tiny.pl/qzvfc (27.01.2015 r.). Por. też: J. C. Sanford, Genetic Entropy & The Mystery of the Genome, FMS Publications, New York 2008, s. 132.

[6] Por. Montanez et al., „Multiple Overlapping Genetic Codes…”, s. 154-155.

[7] Por. Tamże, s. 144-148.

[8] Warto dodać, że wiele mutacji wywołuje tak słaby efekt, że są jakby niewidoczne dla doboru naturalnego, przez co nie są selekcjonowane. Niekorzystne mutacje mogą się więc akumulować w genomie, mimo że teoretycznie powinny być eliminowane, korzystne mutacje zaś – nawet jeśli już się pojawią – mogą nie być faworyzowane, a przez to nie będą miały szans zdominować populacji, aby korzystna zmiana została utrwalona w kolejnych pokoleniach. Por. John C. Sanford, John R. Baumgardner and Wesley H. Brewer, „Selection Threshold Severely Constrains Capture of Beneficial Mutations” w: Marks II et al., Biological Information…, s. 265-266 (http://tiny.pl/qzbpz, 28.01.2015 r.).

 

  

 

 

 

 

idź Pod Prąd, nr 1-2 (126-127) styczeń-luty 2015, s. 15-16


MNOGIE MUTACJE – PRZESZKODA DLA DARWINIZMU

Richard LenskiRichard Lenski jest znany dzięki prowadzeniu najdłuższego i bardzo szczegółowo opisanego eksperymentu z ewolucją w laboratorium. Eksperyment dotyczy bakterii Escherichia coli i prowadzony jest przez około dwadzieścia lat w laboratorium Uniwersytetu Stanu Michigan. Ponieważ jest to szybko rozmnażający się organizm, w czasie eksperymentu zaobserwowano ponad 40 tysięcy pokoleń tej jednej wyjściowej bakterii. Można na tej podstawie sporo powiedzieć o ewolucji, przynajmniej o ewolucji tej bakterii.

Potomków bakterii Lenski podzielił na 12 laboratoryjnych populacji, obserwując, jakim zmianom będą one podlegały w trakcie eksperymentu. Większość zmian była podobna. Wszystkie 12 populacji wykształciły na przykład większe komórki, jak też zwiększyły tempo wzrostu, gdy były żywione glukozą. Ale w jednej z tych populacji około 31500-nej generacji wydarzyło się coś nadzwyczajnego - uważa Lenski. Bakterie nagle uzyskały zdolność metabolizowania cytrynianu. Zwykle E. coli nie korzystają z takiego pokarmu. Bakteriologowie nawet odróżniają po tej cesze E. coli od innych bakterii. Zmutowane bakterie zwiększyły dzięki nowemu pokarmowi rozmiary populacji i jej zróżnicowanie.

Lenski obliczył, że do tego momentu wyhodował wystarczającą liczbę komórek bakteryjnych, by uznać, że wszystkie proste mutacje musiały już zajść wiele razy. Wywnioskował więc, że zdolność do wykorzystywania cytrynianu jako pożywienia musiała być wynikiem czegoś szczególnego - jakiejś niezwykle mało prawdopodobnej mutacji, np. rzadkiej inwersji chromosomalnej albo nagromadzenia się kilku kolejnych mutacji pod rząd. Jednym słowem, Lenski wnioskował o zmianie takiego charakteru, na temat którego trwają spory ewolucjonistów z kreacjonistami.

Aby wykryć, co się stało, Lenski korzystał z zamrażarki, w której wcześniej poumieszczał próbki każdej populacji co 500 pokoleń. Pozwoliło mu to powtarzać zdarzenia od takiego punktu wyjściowego, jaki wybrał. Po prostu odmrażał bakterie i umożliwiał im ponowną ewolucję. Miało to odpowiedzieć na pytanie, czy ta sama populacja wyewoluuje ponownie zdolność metabolizowania cytrynianu, czy też równie prawdopodobne będzie wyewoluowanie tej zdolności przez którąkolwiek z pozostałych populacji?

Spośród bilionów komórek bakteryjnych tylko oryginalna populacja była w stanie powtórzyć swój sukces, a i to tylko wtedy, gdy powtórna ewolucja rozpoczynała się od generacji 20 000-nej lub późniejszej. Znaczy to, że w okolicach tej generacji zdarzyło się coś, co później pozwoliło uzyskać zdolność odżywania się cytrynianem. Tylko co to było? Lenski nie potrafi jeszcze udzielić odpowiedzi na to pytanie (Proceedings of the National Academy of Science, June 10, 2008, vol. 105, no. 23, s.7899-7906).

Brak tej odpowiedzi nie powstrzymuje jednak ewolucjonistów od okrzyków tryumfu. Znany biolog ewolucyjny z Uniwersytetu Chicago Jerry Coyne uważa wynik Lenskiego za dowód, że w trakcie ewolucji może nastąpić to, co negują kreacjoniści - powstanie złożonych cech organizmu przez połączenie mało prawdopodobnych wydarzeń. Przypuszczalnie w jednej z 12 linii pojawiła się jakaś szczęśliwa mutacja potrzebna do tego, by w połączeniu z drugą mutacją wytworzyć nową zdolność organizmu. Inne linie komórek nie zdobyły tej pierwszej koniecznej mutacji, wskutek czego nawet jeśli pojawiła się u nich ta druga mutacja, wspomniana zdolność organizmu się nie ukształtowała. Sam Lenski uważa, że tym samym potwierdził się pogląd Stevena Jaya Goulda, zmarłego kilka lat temu wybitnego biologa, że ewolucja jest pełna przypadkowych wydarzeń. Przypadkowe mutacje mogą skierować ewolucję w tę lub inną stronę i gdyby ktoś zapoczątkował jeszcze raz proces ewolucji na Ziemi, to najprawdopodobniej potoczyłaby się ona zupełnie inaczej i doprowadziła do bardzo odmiennych skutków.

Przedwczesny tryumf
Czy rzeczywiście wynik badań Lenskiego jest sukcesem ewolucjonistów w walce z kreacjonistami? Czy Lenski otrzymał w laboratorium ten rodzaj ewolucji, który kreacjoniści odrzucają? Przypomnijmy, że kreacjonizm nie jest zwykłą negacją ewolucjonizmu. Kreacjoniści uznają za realną pewną odmianę ewolucji, tzw. mikroewolucję, i robią to od czasów co najmniej o dwadzieścia lat uprzedzających opublikowanie głównego dzieła Darwina. Nawet pojęcie doboru naturalnego zostało wymyślone przez kreacjonistę Edwarda Blytha, który przy jego pomocy tłumaczył niewielkie różnice występujące w ramach tego samego gatunku lub na niewiele wyższym poziomie (rodzaju). Spór między kreacjonistami i ewolucjonistami dotyczy jedynie tzw. makroewolucji albo lepiej: powstawania nowych planów budowy ciała organizmów, czyli zmian na poziomie co najmniej rodziny.

Wyniki badań Lenskiego skomentował na swoim blogu znany przedstawiciel koncepcji inteligentnego projektu Michael Behe. Behe komentował wcześniejsze wyniki osiągnięte w trwającym 20 lat eksperymencie Lenskiego w siódmym rozdziale książki "The Edge of Evolution", wydanej w 2007 roku. Okazało się, że wszystkie korzystne mutacje wykryte w czasie badań miały degradujący charakter. Znaczyło to, że w tych przypadkach pewne funkcjonujące geny były wyciszone (genetycy mówią "znokautowane") albo mniej aktywne. Wynikało z tego, że przypadkowe mutacje dużo łatwiej niszczą geny, niż je budują - i to nawet w tych sytuacjach, gdy pomagają organizmowi przetrwać. Był to bardzo ważny wniosek. Proces, który tak łatwo niszczy geny, na pewno nie służy do budowania złożonych z wielu białek, spójnie działających układów molekularnych, jakich jest pełno w komórce.

Jak teraz Behe ocenia doniesienie Lenskiego, że po ok. 30 tysiącach pokoleń jedna z linii komórek rozwinęła zdolność odżywiania się na cytrynianie w obecności tlenu, czego dzikie szczepy E. coli nie potrafią? Okazuje się, że te dzikie szczepy posiadają już wiele enzymów, które wykorzystują cytrynian i mogą go trawić, czyli że nie jest to dla nich jakiś egzotyczny związek chemiczny, którego nigdy "na oczy nie widziały". Tyle że dzikiej bakterii brakuje jednego istotnego elementu - enzymu o nazwie "permeaza cytrynianu", który jest w stanie przetransportować cytrynian z zewnątrz do wnętrza komórki przez jej ścianę, membranę komórkową. Bakterii E. coli brakowało więc nie całego mechanizmu, a jedynie znalezienia sposobu, jak przenosić cytrynian do wnętrza komórki. Cała reszta mechanizmu, potrzebna do metabolizmu cytrynianu, już się tam znajduje. Sam Lenski wyznał to w cytowanym wyżej artykule: "Jedyną znaną przeszkodą, by bakterie rozwijały się w powietrzu na pożywce z cytrynianu, była ich niezdolność do transportu cytrynianu w warunkach tlenowych". Zmiana, jaka się dokonała w jednej z 12 linii rozwojowych bakterii w laboratorium Lenskiego, nie polegała więc na zdobyciu całej skomplikowanej zdolności odżywiania się na nowym rodzaju pokarmu, jak mógłby sądzić ktoś mniej zorientowany. Polegała ona tylko na uzupełnieniu o jeden element już istniejącej skomplikowanej maszynerii metabolicznej.

Behe wspomina również innych badaczy (cytowanych także przez Lenskiego), którzy w ostatnich kilkudziesięciu latach wyróżnili zmutowaną E. coli, zdolną do odżywiania się cytrynianem. W jednym przypadku nie znaleziono odpowiedzialnej za to mutacji (B.G. Hall, Chromosomal mutation for citrate utilization by Escherichia coli K-12, "Journal of Bacteriology" 1982, vol. 151, s. 269-273). W innym przypadku pojawiła się nadekspresja (kodowanego przez gen o nazwie citT) białka, które zwykle transportuje cytrynian przy nieobecności tlenu. To nadekspresywne białko umożliwiło E. coli wzrost na cytrynianie w obecności tlenu (K.M. Pos, P. Dimroth, and M. Bott, The Escherichia coli citrate carrier CitT: a member of a novel eubacterial transporter family related to the 2-oxoglutarate/malate translocator from spinach chloroplasts, Journal of Bacteriology 1998, vol. 180, s. 4160-4165). Lenski jeszcze nie odkrył poszukiwanej mutacji, ale przypuszczalnie - mówi Behe ? mutanty Lenskiego okażą się korzystać albo z tego, albo z innego genu, nieco ulepszonego tak, by umożliwić transport cytrynianu przez membranę w obecności tlenu.

Trudności probabilistyczne
Behe uważa, że wyniki badań Lenskiego znacznie lepiej pasują do poglądów z "The Edge of Evolution". W książce tej Behe przekonywał, że gdyby uzyskanie nowej zdolności organizmu zależało tylko od jednej mutacji, to darwinowski ewolucjonizm miałby niewielki problem z jej znalezieniem. Ale jeśli potrzeba więcej niż jednej mutacji, to prawdopodobieństwo wystąpienia ich wszystkich niezwykle maleje. Przypomnijmy, że prawdopodobieństwo dwóch niezależnych zdarzeń jest równe iloczynowi ich prawdopodobieństw. Jeśli dla przykładu każde z dwóch zdarzeń ma prawdopodobieństwo wystąpienia 1/1000, to prawdopodobieństwo ich łącznego wystąpienia wynosi 1/1000 000. A prawdopodobieństwo mutacji jest dużo, dużo mniejsze niż 1/1000 - w organizmach wielokomórkowych w najlepszym wypadku 1/100 000 000 (a z reguły jeszcze niższe o rząd lub dwa rzędy wielkości). Ujmując to słowami Behe'ego: "Jeśli zanim wystąpi korzystny skutek, potrzebne są dwie mutacje, i jeśli przy tym stan pośredni [tzn. po pierwszej mutacji] jest niekorzystny dla organizmu, czyli mniej dopasowany do środowiska niż stan wyjściowy - to mamy już wielki problem dla teorii ewolucji" (Michael Behe, "The Edge of Evolution: The Search for the Limits of Darwinism", Free Press, New York 2007, s. 106). A jeśli potrzeba więcej niż dwumutacji, z których dopiero ostatnia daje zmutowanym organizmom przewagę nad innymi, to zadanie takie przekracza możliwości przypadkowych mutacji, na których opiera się darwinowski model ewolucji.

Niektórzy biologowie ewolucyjni, co prawda, rozpatrywali już możliwość wielokrotnych mutacji (np. H.A. Orr, A minimum on the mean number of steps taken in adaptive walks, "Journal of Theoretical Biology" 2003, vol. 220, s. 241-247), ale z reguły unikają takich wyjaśnień jak diabeł święconej wody, gdyż prowadzą one do katastrofalnych wniosków probabilistycznych. Wolą znajdować wyjaśnienia przy pomocy serii korzystnych mutacji, gdyż wówczas ma zastosowanie idea doboru kumulatywnego. Tym razem sam Lenski stwierdził, że poszukiwana przezeń mutacja jest prawdopodobnie ostatnią z serii wielokrotnych mutacji, a poprzednia lub poprzednie nie miały korzystnego charakteru. Taka wielokrotna mutacja o ograniczonym skutku (przypomnijmy, że niemal cały mechanizm trawienia cytrynianu jednak już istniał) jest jeszcze do przyjęcia dla kreacjonistów, zwłaszcza jeśli cała seria składała się tylko z dwu mutacji.

Ale jeśli powstanie wielu złożonych cech komórki wymagało wielokrotnych, więcej niż dwu, mutacji, z których dopiero ostatnia przynosiła korzystny efekt dla komórki, to darwinowski ewolucjonizm nie jest w stanie ich wyjaśnić. Sytuacja w sporze ewolucjonizm-kreacjonizm po odkryciach Lenskiego pod tym względem się nie zmieniła.

(Multiple Mutation Needed for E. Coli, "Michael Behe's Amazon Blog, 3:35 PM PDT, June 6, 2008, http://www.amazon.com/gp/blog/post/PLNK3U696N278Z93O)


NAJNOWSZE ARTYKUŁY

Kursy walut