DNA wciąż skrywa wiele tajemnic

Spektakularne odkrycie dotyczące satelitarnego DNA. Pełni ważniejszą rolę, niż nam się wydawało

Nowe badania wskazują, że genetyczna „ciemna materia” może być siłą napędową powstawania nowych gatunków. Mowa o tzw. satelitarnym DNA, które uniemożliwia niepasującym do siebie zwierzętom krzyżowanie się.

Długie, powtarzające się odcinki genomu, zwane satelitarnym DNA (satDNA), mogą uniemożliwiać gatunkom krzyżowanie się ze sobą. To ewolucyjny mechanizm zabezpieczający przed powstawaniem hybryd międzygatunkowych, które nie miałyby prawa przetrwać.

Kilka słów o budowie DNA

Genom to informacje dotyczące budowy i funkcjonowania organizmu, zapisane w formie chemicznej. Nośnikiem informacji jest kwas deoksyrybonukleinowy (DNA), a „literami” cztery budujące go jednostki (nukleotydy) – adenina (A), cytozyna (C), guanina (G) i tymina (T).

DNA ma strukturę podwójnej helisy, którą w pewnym sensie można porównać do drabiny – każdy jej szczebel składa się z pary nukleotydów. Genom człowieka ma ich ponad 3 miliardy. Gdyby chcieć zapisać go w formie tekstowej, zająłby 400 tomów encyklopedii.

Tylko 1% ludzkiego DNA odpowiada za produkcję białek

Chromosomy dziedziczymy od naszych rodziców, 23 od matki i 23 od ojca – mamy więc 23 pary chromosomów (46 sztuk). W genomie człowieka znajdziemy łącznie ok. 23 000 genów – są to regiony DNA zawierające informację pozwalającą organizmowi na produkcję białek, a więc i prawidłowe funkcjonowanie.

Trzeba wiedzieć, że tylko 1% ludzkiego DNA odpowiada za produkcję białek. Inne odcinki DNA mogą mówić organizmowi inne rzeczy, np. ile kopii danego białka wytworzyć lub kiedy włączać konkretne geny. Prawie 10% ludzkiego genomu składa się z długich, powtarzających się odcinków tzw. satelitarnego DNA (satDNA). Materiał ten różni się od pozostałego DNA udziałem procentowym par zasad azotowych (innym stosunkiem par G-C i A-T). Przez wiele lat naukowcy myśleli, że satDNA nie robi niczego pożytecznego w naszym organizmie. Mylili się.

Ważna rola przez lata pomijanego DNA

W 2018 r. zespół Madhava Jagannathana, obecnie z ETH Zurich, a wówczas z MIT, odkrył, że część satDNA spełnia ważną biologiczną rolę: organizuje materiał genetyczny w jądrze komórkowym. Niektóre białka chwytają cząsteczki DNA i gęsto je pakują podczas interfazy (najdłuższej fazy cyklu życiowego komórki) w struktury zwane chromocentrami. Okazało się, że satDNA instruuje odpowiednie białka, jak i gdzie organizować chromosomy.

Wyniki najnowszych badań, opublikowane w Molecular Biology and Evolution, wskazują na coś jeszcze: stymulowanie specjacji, czyli powstawania gatunków. Naukowcy badali płodność u Drosophila melanogaster, czyli popularnej muszki owocowej. Kiedy usunięto gen kodujący białko zwane prod (wiążące się z satDNA), chromosomy owada rozproszyły się poza jądro. Bez tego, zwierzęta natychmiastowo umierały.

Schemat chromosomu – na jego końcach znajdują się tzw. telomery

To fascynujące odkrycie, gdyż wspomniane białko jest unikatowe dla muszki owocowej. To oznacza, że sekwencje satDNA są związane z wiążącymi się z nimi białkami, które ewoluują w podobnym tempie, nierozerwalnie od siebie.

Zespół Madhavy Jagannathana potwierdził to poprzez krzyżowanie samic Drosophila melanogaster z samcami innego gatunku – Drosophila similans. Niestety, powstałe potomstwo nie żyło długo. Gdy naukowcy zajrzeli do komórek, zobaczyli zniekształcone jądra z rozproszonym DNA.

Co z tego wynika?

Wnioski płynące z przeprowadzonych eksperymentów są zaskakujące. Jeżeli satDNA ewoluuje szybko i dwa organizmy wytworzą różne białka je wiążące, nie będą w stanie wytworzyć potomstwa. Niezgodność ta pojawia się szybko, a nowy gatunek powstały z dwóch różnych gatunków potomnych, nie przeżywa. Jeżeli jednak białka wiążące satDNA u łączących się ze sobą gatunków są ze sobą kompatybilne, może powstać nowy gatunek. To właśnie dlatego satDNA wpływa na specjację.

Bez pomocy genetyków nosorożce północne wyginą

Naukowcy mają nadzieję, że nowe odkrycia mogą być w stanie uratować „skazane na zagładę” hybrydy, czyli takie, które nie przeżyją długo po urodzeniu. To mogłoby utorować drogę do wykorzystania hybrydyzacji jako metody ratowania krytycznie zagrożonych gatunków, np. nosorożca północnego, z którego do dzisiaj przeżyły tylko dwie samice (już wiekowe). Szanse na przetrwanie tego gatunku w naturalny sposób są zerowe.

Odkrycia dotyczące satDNA potwierdzają starą prawdę, że nie warto oceniać książki po okładce. A to, co na pierwszy rzut oka wydaje się śmieciem, może okazać się prawdziwym skarbem.