Gener som oppstår fra søppel?!

Hvordan oppstår egentlig gener?

I følge teorien oppstår de i all hovedsak gjennom fikling med allerede eksisterende gener. For eksempel ved at de fordobler seg, muterer, eller endrer seg på andre måter. Men nylig kom jeg over en studie som viser at gener kanskje lettere enn man har trodd også kan oppstå fra “ingenting” - eller de novo på fancy.

Hominoid-Specific De Novo Protein-Coding Genes Originating from Long Non-Coding RNAs

Men aller først, hva er et gen? Et gen er som en oppskrift i en kokebok (og kokeboken er arvestoffet vårt som består av DNA). Denne oppskriften forteller hvordan et protein skal lages, og for at cellene våre skal skjønne oppskriften må denne være skrevet på et helt spesielt språk. Et språk med ord bestående av tre og tre bokstaver hvor hvert ord spesifiserer en aminosyre. I tillegg må oppskriften starte og slutte med det rette ordet som marker akkurat hvor oppskriften kan finnes. Men proteinet kan ikke lages direkte. Først må oppskriften skrives av og kopieres til et RNA-molekyl som så kan sendes ut til de stedene hvor proteiner lages. Og også denne avskriften krever et helt spesielt startsignal som forteller cellen at her skal den starte å kopiere DNA til RNA.

Et gen er kompliserte greier (Foto: wikipedia.org)
Et gen er kompliserte greier (Foto: wikipedia.org)

Det er med andre ord mye som skal på plass for at et gen skal dannes. Og nettopp derfor tror man at det er så vanskelig for nye gener å oppstå helt fra scratch. Ikke bare skal de rette ordene dannes, de være mange nok og satt sammen på en måte som gir mening. I tillegg må det rette start- og stopp-ordet være på plass, pluss kopieringssignalet.

“The probability that a functional protein would appear de novo by random association of amino acids is practically zero” Francois Jacob, 1976.

Hva er problemet? Etter som flere og flere arter har fått arvestoffet sitt sekvensert (altså at vi har lest hele kokeboka deres) har etterhvert lista over gener som ser ut til å ha oppstått de novo blitt ganske lang. Dette vil si at vi ikke finner gener som ligner i andre organismer (noe de ville ha gjort hvis de oppstod fra andre gener). I bananflua Drosophila melanogaster kan det være over 100 slike “foreldreløse gener”, og hos oss mennesker er det funnet flere titalls av disse genene. Dette stemmer ikke med teorien.

Foreldreløse gener ligner ikke på noen andre gener. (Foto: Wu, D. D. et al. 2013. MPE.)
Foreldreløse gener ligner ikke på noen andre gener. (Foto: Wu, D. D. et al. 2013. MPE.)

Disse foreldreløse genene har derfor skapt debatt om hvorvidt de faktisk har oppstått de novo, eller om det bare virker sånn fordi vi ikke er i stand til å finne ut hvilke gener de har utviklet seg fra.

Og det er her studien til Xie og vennene hans kommer inn: de har klart å vise hvordan et sett med slike gener hos mennesket faktisk har oppstått fra scratch. De har vist at for en håndfull gener var det DNA-RNA kopieringen som oppstod først. Lenge før proteinoppskriften var på plass så kopierte faktisk cellen allerede den biten av arvestoffet til RNA, selv om det (tilsynelatende) ikke gav noen mening.

Hvordan kan de si dette? Jo, de finner forløpere til disse genene også i arvestoffet til våre nærmeste slektninger, menneskeapene. Men her er ikke disse genene skrevet på proteinspråket enda. De er altså ikke protein-dannende gener hos menneskeapene, men de kopieres allikevel til RNA. Et sted på veien fra ape til menneske har så disse bitene fått de rette endringene slik at oppskriften gir et korrekt protein.

Hvorfor kopiere tull? Men hvordan kan dette ha seg? Hvorfor bruker menneskeapene energi på å kopiere opp deler av arvestoffet som bare er tull?

For å forstå dette må vi ta en rask tur tilbake til det som populært omtales som søppel-DNA. Et stort mysterium i biologien er hvorfor arvestoffet vårt består av så mye som ikke er gener. Bare 1% av innholdet i kokeboken vår utgjør oppskrifter på proteiner. Resten er tilsynelatende bare tull - eller søppel-DNA. Dette er litt rart for den naturlige seleksjonen har ikke for vane å la unyttige og energikrevende elementer passere. Men det vi har blitt klar over den siste tiden er at det meste av dette søppelet faktisk kopieres til RNA (noe av dette RNAet vet vi også har en funksjon, mens det aller meste av det aner vi ikke hvorfor kroppen gidder bry seg med).

Foreldreløse gener kan gi unike egenskaper. Hva betyr det så at gener kanskje i større grad enn vi har trodd kan oppstå de novo? Nye arter oppstår fra eksisterende arter, og de aller fleste gener oppstår fra eksisterende gener. Dette betyr at arter som er i slekt naturligvis vil ligne på hverandre og dele de fleste egenskapene. Dette betyr også at evolusjonen har et begrenset rom den kan operere i, den kan bare leke med de klossene den allerede har i lekekassa. Dette betyr ikke at endringer ikke finner sted, bare at det er en sakte og trinnvis prosess.

Men når et gen oppstår fra scratch kan dette åpne for helt nye muligheter og sende evolusjonen i en ny retning. Litt som når man en julaften plutselig fikk Lego Technic og byggingen kunne anta uante dimensjoner.

Faktisk er det slik at flere av de foreldreløse genene som er funnet nettopp gir arter unike egenskaper og skiller de fra deres slektninger. For eksempel neslecellene som bare finnes hos nesledyrene (de cellene som gjør at brennmaneter brenner) dannes av gener som man tror oppstod bare i denne dyregruppen. Og hos oss mennesker har man funnet at flere gener som er unike for oss er høyt uttrykt i hjernen, og kan dermed være noe av grunnen til at vi har så høyt utviklede hjerner.

Større spillerom for evolusjonen. Så hvis gener i mye større grad enn man har trodd tidligere kan oppstå de novo betyr dette kanskje også at evolusjonen har et litt større spillerom enn det man har trodd tidligere. Og råmaterialet til disse genene kan vise seg å finnes i de delene av kokeboka vår som enda ikke gir noe mening.

Referanser

Chen Xie et al. 2012. Hominoid-specific de novo protein-coding genes originating from long non-coding RNAs. PLoS Genetics.

Dong-Dong Wu & Ya-Ping Zhang. 2013. Evolution and function of de novo originated genes. Molecular Phylogenetics and Evolution.