Dziobak – żywa skamieniałość

Wszystkie zbiorniki słodkowodne razem wzięte stanowią mały obszar w porównaniu z obszarem morza lub lądu. W rezultacie konkurencja między mieszkańcami wód słodkich będzie mniej dotkliwa niż gdzie indziej. Nowe formy będą powstawać wolniej, zaś stare formy będą wolniej ginąć. Dlatego to w słodkiej wodzie znajdujemy siedem rodzajów ryb ganoidowych, pozostałości niegdyś dominującego rzędu. W słodkich wodach w ogóle można znaleźć niektóre z najbardziej anomalnych form znanych obecnie na świecie, jak [dziobak] Ornithorhynchus i [prapłaziec] Lepidosiren, które, podobnie jak skamieniałości, łączą w pewnym stopniu rzędy obecnie szeroko rozdzielone na skali naturalnej [na drabinie jestestw, w systematyce]. Te anomalne formy można niemal nazwać żywymi skamieniałościami – przetrwały do dnia dzisiejszego, zamieszkując ograniczony obszar i będąc w ten sposób wystawione na mniej dotkliwą konkurencję. (Karol Darwin, O pochodzeniu gatunków).

Już Karol Darwin nazywał dziobaka żywą skamieniałością, wskazując na jego charakter ogniwa pośredniego między dwoma gromadami: gadów i ssaków. Współcześnie, dzięki postępom paleontologii oraz filogeografii, poznaliśmy znacznie więcej tego typu osobliwości. Charakter żywych skamieniałości przyznajemy takim pospoliciuchom, jak platany, karaluchy i skrzypłocza. Z drugiej strony część naukowców odrzuca samą koncepcję żywej skamienieliny i w ogóle gatunku reliktowego. Bez względu na to, które z tych podejść zatriumfuje w badaniach i dydaktyce, szeroko rozumiana biologia stekowców pozostanie niewyczerpanym źródłem przykładów oraz łamigłówek dla następnych pokoleń badaczy. Wprawdzie nie umiemy rozmnażać ich w zoo, jednak od ponad 40 lat dysponujemy liniami komórkowymi tych cudaków [3, 7].

Raz wolno

Geny platypusa badano od dekad. Już wstępna wersja zsekwencjonowania genomu była sensacją godną publikacji w Nature (8 maja 2008 r.). Uwagę uczonych i czytelników przykuwały typowo gadzie i typowo ssacze elementy. Wskazano też dwa geny charakterystyczne dotychczas wyłącznie dla ryb, płazów i ptaków jako zwierząt typowo jajorodnych. Genom jako całość okazał się niewielki. Liczy raptem 2,3 mld par zasad, tworzących nieco ponad 18,5 tys. genów kodujących białka. Liczba genów okazała się zatem dość typowa dla ssaków. Mało tego! Ponad ⁴/₅ genomu naszego bohatera było zgodne ze zsekwencjonowanymi wcześniaj genomami typowych łożyskowców i torbaczy.

W przypadku 15 312 spośród wspomnianych wcześniej 18 527 funkcjonalnych genów znaleziono od razu ortologi (w wielkim uproszczeniu: odpowiedniki w stosunku 1:1) dla 5 innych ssaków. Wszystkie te dziobacze ortologi kodują metabolizm, replikację DNA bądź splicing. Te czynności odbywają się tak samo u wszystkich owodniowców, zatem ich geny ewoluują raczej wolno [1, 3, 5, 7].

Raz szybko

Pozostałe geny (bez ortologów) zmieniają się szybciej. Niemal 2 tys. z nich kodują białka receptorów węchowych. Jak fenotyp dziobaka nie posiada macicy i prawdziwych sutków, tak genotyp nie ma wielu genów typowych dla wszystkich ssaków żyworodnych. Wśród nich tak niezbędnych, jakby się zdawało, jak kodujące witellogeninę II, cytochrom P450, syntetazę glutaminową czy receptor melatoniny 1C. Naukowców od dziesiątków lat intrygowały mechanizmy determinacji płci u stekowców. Jak wiadomo, płeć u ptaków determinowana jest na poziomie genetycznym odwrotnie niż u ssaków. Samice mają geny ZW, samce ZZ, podczas gdy samice łożyskowców XX, a samce XY.

U dzisiejszych gadów zachowała się znaczna różnorodność genetycznych mechanizmów odpowiedzialnych za płeć, skoro płeć pewnych krokodyli i żółwi zależy od ciepłoty otoczenia. W przypadku dziobaka, mimo jego jajorodności, dziobu oraz kości kruczych, spodziewano się typowo ssaczego systemu determinacji z XY samców oraz XX samic. Tymczasem platypus znów zaszokował. Na polu genetycznych fundamentów płci okazał się zbliżony do gadów, a jednocześnie niepodobny do reszty owodniowców. Nawet do jakże blisko spokrewnionych z nim kolczatek o systemie determinacji płci X0 [1, 2, 3, 6].

Dziobak jednak bardziej gadzi niż sądzono

Po dziesiątkach lat poszukiwań badacze w końcu przyjęli do wiadomości, iż samce dziobaka nie mają chromosomu Y ani genu SRY, kluczowego dla męskich cech płciowych (nawet człowiek z dwoma XX, ale aktywnym SRY fenotypowo i psychicznie uważany jest za mężczyznę). Odkryto za to nieco homologów genów typowych dla ptaków i gadów. Mija 20 lat odkąd uczeni z Australian National University zaobserwowali u dziobaka całych 10 chromosomów płci zamiast 2 charakterystycznych dla łożyskowców. Pan dziobak posiada zatem cały łańcuszek heterosomów XYXYXYXYXY, zamiast skromnych XY jak człowiek.

Wykorzystanie symboli X oraz Y do opisu genomu dziobaka budzi kontrowersje, skoro chromosom X platypusa łudząco przypomina typowo ptasi Z, nie zaś heterosomy X typowe dla workowców czy łożyskowców. Czyżby był homologiczny do chromosomów gadów i ptaków? Mimo wytężonych badań nie odszukano jakichkolwiek ortologów z ludzkim X. Genetyczne fundamenty determinacji płci u stekowców okazały się znacznie bardziej archaiczne i zbliżone do zauropsydów, niż przypuszczano. Płciowość dziobaka jest równie ptasio-gadzia, jak jego jajka czy dziób. Z kolei system determinacji płci u żyworodnych (workowców i łożyskowców), oparty o heterosomy X i Y, okazał się znacznie świeższym wynalazkiem ewolucyjnym niż do tej pory sądzono.

Musiał pojawić się dopiero po rozdzieleniu linii ewolucyjnych stekowców od ssaków żyworodnych. Plemniki platypusa zawierają albo cały zestaw 5Y, albo zestaw 5X. W trakcie mejozy heterosomy stekowców tworzą coś w rodzaju łańcucha. Przy braku genu SRY nie bardzo wiadomo, jak zestaw 5Y determinuje od strony technicznej (albo i nie?) płeć męską u dziobaka [4, 6].

Ale jaja!

Geny, a w konsekwencji kodowane przez nie białka, odpowiedzialne za zapłodnienie jaja oraz za najwcześniejsze podziały zarodka, okazały się – tym razem zgodnie z przewidywaniami – czymś między zestawem typowo gadzim a typowo ssaczym. Samych paralogów KIR (z ang. killer cell immunoglobulin-like receptor) naliczono u dziobaka 214 (na tle niecałych 20 u człowieka). Podana w polskiej Wikipedii liczba 15 dla człowieka wymaga zwiększenia co najmniej o 1 (14 aktywnych plus 2 pseudogeny).

U Homo sapiens to właśnie KIRy odpowiadają za znaczną część problemów z płodnością, w tym tzw. niepłodność immunologiczną, poronienia nawykowe czy problemy z implantacją po in vitro. Tak wielka liczba być może funkcjonalnych KIR u platypusa wynika ze skomplikowanej biologii rozrodu łączącej typowo gadzi etap rozwoju w jajku z niemal już ssaczym (choć wciąż podobnym do mechanizmów u jajożyworodnych gadów) etapem odżywiania zarodka przez ściany jaja w drogach rodnych samicy [2, 3, 6, 7].

Małe jest piękne

Dziobak okazał się osobliwy także w dziedzinie niekodujących białek RNA. Tych bowiem zaobserwowano u niego mniej niż u reszty ssaków, 1220 prócz małych jądrowych RNA. Tych ostatnich odwrotnie – platypus ma jakieś 2 tys. kopii, zatem dziesięciokrotnie więcej od typowych ssaków. Ogólne różnice w wielkości 52 chromosomów platypusa nasuwają skojarzenia z mikro- oraz makrochromosomami typowych gadów. W genomie naszego bohatera przeważają drobniejsze mikrochromosomy. Tu jednak podobieństwa z ptakami się kończą, albowiem zlokalizowane na nich geny nie pokrywają się z homologicznymi genami kurczaka [3, 4, 5, 7].

Mały może więcej (zepsuć?)

Następuje prawdziwy wysyp krótkich, rozproszonych retroelementów jądrowych pozbawionych długich, terminalnych powtórzeń (SINE)-like w liczbie około 40 tys. Retrotranspozony SINE wędrują po genomach na drodze retrotranspozycji, tworząc w miejscu integracji krótkie powtórzenia kodu genetycznego. Naukowcy wciąż dyskutują o możliwych funkcjach tych odcinków. Zgadzają się jednak co do ich znacznego wpływu na funkcjonowanie całych genomów. U ludzi dostrzeżono związki między ich obecnością a pewnymi nowotworami.

SINE nieźle nadają się na markery w analizach filogenetycznych z uwagi na wyraźne różnice między gatunkami. Nader podobne do RNA workowców i łożyskowców okazało się za to piRNA dziobaka, czyli RNA związane z białkiem Piwi, odpowiedzialne za metylację oraz wyciszanie DNA. U platypusa charakteryzuje się ono większą niż u ssaków żyworodnych liczbą powtórzeń oraz struktur zabezpieczających przed transpozonami [4, 5, 7].

Sztuka dla sztuki? Czy sztuka użytkowa?

Z powodu wczesnego rozejścia się stekowców i ssaków żyworodnych oraz małej liczby przetrwałych do dziś gatunków tej pierwszej grupy, dziobak stał się częstym obiektem badań biologii ewolucyjnej. Czy jednak dłubanie w jego genomie i proteomie nie stanowi swego rodzaju sztuki dla sztuki? Znajdywania odpowiedzi na pytania ważne tylko dla grupki nieszkodliwych dziwaków? Marnowania czasu i zasobów, jakie powinno przeznaczyć się raczej na walkę z nowotworami i starzeniem? Albo ochronę przed bronią biologiczną?

Naukowcy, apelując o dalsze fundusze na badania, powołują się także na możliwość praktycznych zastosowań wyników swoich prac nad dziobakiem dla całej ludzkości. Obiecują m.in. lepsze zrozumienie, a w rezultacie skuteczniejsze leczenie chorób autoimmunologicznych oraz sprawniejszą produkcję szczepionek dla ludzi, zwierząt gospodarskich i łownych [3, 4].

W artykule korzystałem m.in. z:

1. Baldwin, J., Temple-Smith, P.D. 1973. Distribution of LDHX in mammals: presence in marsupials and absence in the monotremes platypus and echidna. Comp. Biochem. Physiol. 46B: 805-811.
2. Bick, Y., Jackson, W. 1967. A mammalian X-O sex chromosome system in the monotreme Tachyglossus aculeatus determined from leucocyte cultures and testicular preparations. Am. Nat. 101, 79–86.
3. O’Brien, S. 2004. The Platypus Genome Unraveled. Cell 133 (6), 953–955.
4. Grützner, F., Deakin J., Rens, W., El-Mogharbel, N., Graves, J.A.M. The monotreme genome: a patchwork of reptile, mammal and unique features? Comparative Biochemistry and Physiology Part A: Molecular & Integrative Physiology, 136(4), 867-881.
5. Kirsch, J.A., Mayer, G.C., 1998. The platypus is not a rodent: DNA hybridization, amniote phylogeny and the palimpsest theory. Phil. Trans. R. Soc. B 353, 1221–1237.
6. Watson, J.M., Frost, C., Spencer, J.A., Graves, J.A.M. 1993. Sequences homologous to the human X-and Y-borne zinc finger protein genes (ZFX/Y) are autosomal in monotreme mammals. Genomics 15: 317-322.
7. Wesley, C., Warren, LaDeana W.,, Graves, J., Ewan Birney, E., Ponting, C., Grützner, F, Belov, K., Miller W., Clarke L. 2008. Genome analysis of the platypus reveals unique signatures of evolution. Nature 453 (7192), s. 175–183.