Na obrazku: Pochwalę się: wykładam w budynku, w którym mieszka ptak z tego zdjęcia.

Blog przymiera. Od kilku tygodni mam bowiem w realu wierne (choć nie całkiem dobrowolnie) grono słuchaczy. No to i czasu mam mniej, i motywacja do pisania jakby mniejsza. Za to tematów mam całe mnóstwo! Przepraszam, że nie będzie ani o paleniu, ani o facebooku.

Haplochromini^[1] to grupa pielęgnic – a pielęgnice, jak wiadomo, wychowują swoje młode w buziach. Jak na ryby, to całkiem niezła ochrona cennego potomstwa. Większość pozostałych ryb po prostu produkuje masę jajeczek, i jakaś tam niewielka część nie zostanie zjedzona albo zniszczona.

Na obrazku: Nemo miał kiluset braci i sióstr. Albo więcej. Całe rodzeństwo plus mamusię zjadła barakuda.

Na obrazku: Skądinąd barakuda nie jest tak straszna, jak beznose, Voldemortowate twarze Nemo i Marlina.

Na obrazku: Penis gupika

Niestety, trzymanie jajeczek w buzi nie tylko budzi u niektórych gołoskórych małp nieadekwatne skojarzenia, ale na dodatek nie jest ochroną doskonałą. Takie na przykład gupiki opanowały sztukę zapłodnienia wewnętrznego, dzięki któremu potomstwo jest od razu bezpieczne, bo w ogóle nie opuszcza ciała matki aż do momentu wyklucia się z jajeczek – gupiki są jajożyworodne. Ale żeby mieć zapłodnienie wewnętrzne, to trzeba też mieć penisa; niestety, pielęgnice penisów nie miewają. U pielęgnic samica musi więc wpierw złożyć jajeczka, a te z kolei zostają zapłodnione przez samca tak, jak u większości innych ryb: samiec spryskuje jaja swoją spermą. Po opuszczeniu ciała matki jajeczka są jednak bezbronne i wydane na łaskę drapieżników, tak że im szybciej znajdą się w pyszczku własnej mamy, tym lepiej. No ale trzeba je jeszcze zapłodnić, nespa.

Na obrazku: Wyraźnie widać trzy jajokształtne plamki na płetwie odbytowej – "egg-dummies"

Jeżeli rozwiązanie tego problemu u Haplochromini to wynik inteligentnego projektu, no to kochani – niezła jazda. Jak bowiem wygląda to rozwiązanie? Czy może pojawiło się zapłodnienie wewnętrzne, jak u gupików? Nope. Samice po złożeniu jajek natychmiast starają się je zebrać do pyszczka, jeszcze zanim jajeczka zostaną zapłodnione. Samce mają tymczasem na jednej ze swojej płetw – najczęściej odbytowej – wyraźne, dość skomplikowane plamki wyglądem przypominające jajeczka. Samica się nimi interesuje, zbliża się do nich i próbuje je złapać – a wówczas samczyk tryska jej spermą z sąsiadującego z płetwą otworu genitalnego wprost do pyszczka, zapładniając znajdujące się w nim jajeczka.

[youtube=http://www.youtube.com/watch?v=VW1SeI3YR_U]

Ale tak naprawdę, to wcale nie chciałem pisać o inteligentnym projekcie czy nawet o tryskaniu spermą do pyszczka. Otóż trzy lata temu ukazała się fascynująca publikacja Waltera Salzburgera, Ingo Braascha i Axela Meyera z uniwersytetu w Konstancji, którzy zbadali pewien gen, najwyraźniej odgrywający istotną rolę przy tworzeniu się owych plamek, pseudo-jajeczek (“egg-dummies”). Białko, które jest produktem genu csf1ra, tkwi w otaczającej komórkę błonie białkowo lipidowej. Jeden koniec białka jest wewnątrz komórki, a drugi na zewnątrz. Ten na zewnątrz potrafi rozpoznać i wyłapać konkretne, ściśle określone cząstki. Koniec po wewnętrznej stronie błony potrafi przekazywać informacje do wewnątrzkomórkowego intranetu. W sumie – czujnik.

Dokładnie jak to działa w tym konkretnym wypadku, nie wiadomo, ale znanych jest dosyć podobnych systemów, żeby można było się domyślić. Ta część białka, która odpowiada za wyłapywanie sygnałów, zawiera tzw. domeny przypominające immunoglobuliny (ig-like domain), a przykładów takich sygnalizacyjnych białek znamy sporo (Barclay 2003).

Pomysł, że csfr1a może odgrywać jakąś rolę w tworzeniu tych jajokształtnych plamek wziął się stąd, że u danio (rybki popularnej tak wśród biologów, jak i wśród akwarystów) uszkodzenie tego genu zaburza rozwój charakterystycznych dla danio pasków i brakuje im ksantoforów, czyli komórek z żółtym barwnikiem (Parichy et al. 2000). Gen csfr1a, zwany u danio fms, jest zresztą szeroko rozpowszechniony u kręgowców, i to w wielu kopiach. Jednym z jego wariantów jest gen kit, również odpowiedzialny za pigmentację. I wszystkie te geny można znaleźć u kręgowców – od ryb do ludzi. Z tym, że u ludzi na przykład gen ma nieco inną funkcję: jest owszem receptorem określonych sygnałów na powierzchni komórek, ale komórek układu odpornościowego – makrofagów. Mechanizm działania jest podobny (czujnik na powierzchni komórki), ale efekt tego działania zgoła różny.

Na obrazku: Po lewej: zwykły danio. Po prawej: danio-mutant bez pasków z uszkodzonym genem fms, czyli inaczej csf1r

Salzburger i kol. przede zaczęli od pokazania, że ekspresja genu (tzn. wytwarzanie mRNA) następuje dokładnie w tych obszarach płetw, w których później pojawiają się plamy. To się nazywa hybrydyzacja in situ i wygląda tak, że używa się specjalnej sondy – znakowanej cząstki RNA “pasującej” do poszukiwanego mRNA genu csf1ra, ale zmodyfikowanej tak, że można ją wykryć specjalnym barwnikiem. Bierze się następnie kawałek tkanki (np. płetwy), trochę się maltretuje (żeby RNA nie uległo degradacji, a jednocześnie było dostępne dla sondy), dodaje tego sondę, i po pewnym czasie tam, gdzie znajduje się mRNA genu csf1ra pojawiają się niebieskie plamy. Krótko mówiąc, tam, gdzie jakieś komórki produkują poszukiwany gen, tam robi się niebiesko.

Na obrazku: Hybrydyzacja in situ. W drugiej kolumnie pokazane są prawdziwe niby-jaja. W trzeciej i czwartej widać, że na niebiesko barwią się te obszary, w których występują plamy u dorosłych osobników.

OK, po tych doświadczeniach wiadomo było że jakiś związek między plamami a genem csf1ra istnieje. Ale Salzburger i in. poszli jeszcze dalej, a mianowicie przyjrzeli się samej sekwencji genu csf1ra u rybek z tej grupy, i porównali je z sekwencjami csf1ra u innych pielęgnic. Okazało się, że jest bardzo wiele różnic, tak w sekwencji nukleotydowej (czyli sekwencji DNA), jak i sekwencji białka. Wiecie, że nie każda mutacja w jakimś genie powoduje zmianę białka, prawda? Ogólnie rzecz biorąc i pomijając pewne interesujące wyjątki, większość z takich mutacji (mówi się, że to mutacje synonimowe), które nie powodują zmiany sekwencji białka, nie wpływa na jego funkcjonalność.

Inaczej rzecz się ma z mutacjami, które zmieniają sekwencję aminokwasów (mutacje zmiany sensu). Nie wszystkie takie mutacje muszą objawiać się w fenotypie; może być tak, że jeden aminokwas zostanie zastąpiony podobnym, albo że zmiana będzie dotyczyć mało ważnej części białka, jakiejś pętli, która nie ma znaczenia dla pozostałej struktury. Tak się jednak składa, że akurat mutacje w domenie ig-like (tej, która odpowiada za odbieranie sygnałów) zmieniają specyficzność interakcji tej domeny z innymi białkami. Innymi słowy, decydują o tym, w jaki sposób i na jakie sygnały receptor reaguje.

Na obrazku: Kod genetyczny. Większość aminokwasów kodowana jest przez więcej niż jeden kodon, dlatego mutacje zamieniające jedną trójkę nukleotydów w inną, która koduje ten sam aminokwas, nie zmieniają sekwencji czy struktury białek.

No i tu dochodzimy do clou tej historii. Otóż pielęgnice, zwłaszcza z grupy Haplochromini uległy gwałtownej radiacji adaptatywnej – tzn. z jednej populacji założycielskiej (najprawdopodobniej) rozwinęło się całe multum gatunków zasiedlających nowo powstałe nisze w nowo powstałych jeziorach afrykańskich. Analizy morfologiczne wskazują na to, że ewolucja konkretnego sposobu rozrodu (z poligynią i opieką macierzyńską) wyewoluowały tylko raz. Pytania były dwa. Po pierwsze, jeśli istniejące gen csf1ra został zaadaptowany do nowej funkcji – plamek na płetwie odbytowej, których wcześnie nie było – to podlegał doborowi kierunkowemu (w przeciwieństwie do doboru oczyszczającego, który przeciwdziała zmianom). Czy da się to wykryć? Po drugie: czy plamki wyewoluowały raz, czy wiele razy?

Odpowiedzi na pierwsze pytanie dostarcza właśnie porównanie liczby mutacji synonimowych z mutacjami zmiany sensu. Jeżeli mutacje są kompletnie losowe, a ewolucja neutralna, to oczekujemy pewnej liczby mutacji synonimowych, i pewnej, nieco mniejszej liczby mutacji zmiany sensu (szczegóły zależą już od np. częstości występowania konkretnych kodonów). Jeśli mutacji zmiany sensu jest mniej niżbyśmy oczekiwali, to znaczy to, że dobór naturalny eliminuje wszelkie zmiany. Tak się nierzadko dzieje w przypadku najważniejszych dla funkcjonowania komórki białek – rybosomalnych, polimerazy DNA itp. To są bardzo stare, bardzo sprawnie działające białka – a wszelkie zmiany mogą tylko pogorszyć ich działanie.

Odwrotnie ma się rzecz z wieloma szybko ewoluującymi białkami, takimi jak antygeny odpowiedzialne za interakcję pasożyta lub patogenu z gospodarzem. Gospodarz albo populacja gospodarza szybko nabiera odporności, i patogeny ze zmienioną strukturą białkową na powierzchni swojej komórki łatwiej mogą się rozprzestrzeniać. A więc dobór naturalny promuje zmiany – mowa wtedy o doborze kierunkowym. A wówczas mutacje zmieniające sens mają większe szanse na utrzymanie się w populacji, i po jakimś czasie proporcjonalnie jest ich więcej, niż byśmy oczekiwali.

Na obrazku: Struktura białkowego produktu genu csf1ra (poniżej) i wykres pokazujący stosunek liczby mutacji zmieniających sens do mutacji synonimowych.

I taki właśnie dobór kierunkowy, zgodnie z oczekiwaniami, zaobserwowali autorzy pracy u Haplochromini. Również zgodnie z oczekiwaniami, zmiany zaobserwowano właśnie w tym rejonie, który odpowiada na sygnały, czyli domenie ig-like. Oprócz tego analiza filogenetyczna pokazała, że adaptacja genu csf1ra do tworzenia charakterystycznych jajopodobnych plamek nastąpiła najprawdopodobniej raz w historii Haplochromini.

Ale to też jeszcze nie koniec historii. Otóż u niektórych pielęgnic poza Haplochromini też występują podobne jajopodobne struktury, i też za ich kolor odpowiada gen csf1ra – ale na innych płetwach, a oprócz tego są kolorystycznie duże prostsze. Wygląda na to, że chodzi o konwergencję: taka sama adaptacja tego samego genu do tego samego celu nastąpiła przynajmniej dwa razy.

Na obrazku: Konwergencja w ewolucji: u O. ventralis niby-jaja są na końcach płetw piersiowych. Ten sam gen, ale inaczej wyewoluował.

U samczyków z gatunku O. ventralis, pielęgnicy z grupy Ectodini, końcówki płetw piersiowych są zaokrąglone i zabarwione na żółto – w wyniku działania genu csf1ra. Terytorialne samce wabią samice; te składają jajeczka i zaraz biorą je do pyszczka, po czym łapią także końce płetw piersiowych samca. Samiec zaś tak kieruje płetwami piersiowymi, żeby nakierować pyszczek samicy w okolice swojego otworu płciowego.

Podsumowując – bardzo fajna praca, i jeszcze dość przystępnie napisana, polecam. Podejrzewam, że etykietka “haha seks oralny u ryb” może jej nawet bardziej zaszkodzić niż pomóc.

^[1] Wikipedia podaje, że Haplochromini to plemię, czyli wyżej niż rodzaj (genus), a niżej niż rodzina (familia). W tym wypadku rodziną są pielęgnicowate (Cichlidae), a grupa Haplochromini obejmuje kilka blisko ze sobą spokrewnionych rodzajów, m.in. rodzaj od którego pochodzi nazwa grupy, mianowicie Haplochromis. Ale ja tam w taksonomię nie wierzę, więc umówmy się, że chodzi po prostu o grupę blisko spokrewnionych ze sobą pielęgnic, bez wdawania się w niepotrzebne szczegóły.

Literatura:

• Salzburger, W., Braasch, I., & Meyer, A. (2007). Adaptive sequence evolution in a color gene involved in the formation of the characteristic egg-dummies of male haplochromine cichlid fishes BMC Biology, 5 (1) DOI: 10.1186/1741-7007-5-51

• Barclay, A. (2003). Membrane proteins with immunoglobulin-like domains—a master superfamily of interaction molecules Seminars in Immunology, 15 (4), 215-223 DOI: 10.1016/S1044-5323(03)00047-2

• Parichy DM, Ransom DG, Paw B, Zon LI, & Johnson SL (2000). An orthologue of the kit-related gene fms is required for development of neural crest-derived xanthophores and a subpopulation of adult melanocytes in the zebrafish, Danio rerio. Development (Cambridge, England), 127 (14), 3031-44 PMID: 10862741

P.S. Dziękuję serdecznie wszystkim, którzy dali mi się namówić i podpisali się pod obywatelskim projektem zmiany ustawy o parkach narodowych.

Komentarze

Original post