Na XXXIII Warsztaty, które odbyły się 12 III 2005 roku, do gmachu Wydziału Biologii UW mimo obfitych śniegów dotarło ponad siedemdziesięciu uczestników z różnych stron kraju.
Tym razem warsztaty poświęcone były roli mechanizmów wyciszania genów w procesie ewolucji.

Referaty wprowadzające w zagadnienie wygłosił gospodarz Warsztatów, prof. Andrzej Kaczanowski z Zakładu Cytofizjologii Instytutu Zoologii oraz Andrzej Wierzbicki, także z UW, z Zakładu Biologii Molekularnej Roślin.

Obaj badacze przedstawili opublikowane w ostatnich latach wyniki doświadczeń, które pozwoliły poznać ważny mechanizmu regulacji genów: ich wyciszanie (silencing). Decydującą rolę w tym procesie odgrywają dwuniciowy RNA (dsRNA - double-stranded RNA) cięty na małe odcinki (siRNA) przez enzymy zwane "tasakami": dicer Taki RNA - o sekwencji homologicznej do danego genu wycisza go przyłączając się do DNA. Dwuniciowe RNA mają strukturę "spinki do włosów" - dwie komplementarne (sensowna i antysensowna, często palindromowe) sekwencje połączone są pętlą.
Są one namnażane przez enzym RdRP (RNA-dependent RNA polymerase), który wraz z "dicerem" i paroma innymi białkami tworzą tzw. RISC (RNA Interference Silencing Complex), odpowiadający za wyciszanie genów. Kiedy bowiem taki krótki odcinek RNA przyłączy się do nici DNA, następuje w tym miejscu rekrutacja metylotransferazy, która metyluje lizynę 9 białka histonowego H3, co "zwabia" białko remodelujące chromatynę, które przekształca dany odcinek genomu w heterochromatynę (nie podlegającą transkrypcji, bo niedostępną dla białek).

Transkrypcyjne wyciszanie genów (Transcriptional Gene Silencing) to tylko jeden z możliwych mechanizmów wyciszania genów. Jest też możliwa ingerencja na późniejszym, posttranskrypcyjnym etapie - represja translacji przez kompleks zwany miRNP (micro RNA-NucleoProtein).

Tak czy owak, efektem jest zablokowanie ekspresji danego genu. Skutki mogą być różne. Być może pierwotną rolą tego mechanizmu - już u pierwotniaków - było radzenie sobie z egzogennym DNA: wirusami i transpozonami ("skaczącymi genami"); do dziś można zaobserwować, że po zaatakowaniu rośliny przez wirusa (np. mozaiki tytoniowej) młode liście nie wykazują już objawów, gdyż roślina zdążyła wytworzyć "szczepionki" - odcinki RNA, które blokują ekspresję genów wirusowych. Zważywszy na powszechność występowania wirusów - choćby w wodzie morskiej - mogły one być ważnym czynnikiem selekcyjnym sprzyjającym powstaniu tego mechanizmu.

U wielokomórkowców wyciszanie genów zostało zaś wykorzystane (w drodze egzaptacji, czy też kooptacji) do regulacji ekspresji genów podczas ontogenezy (np. wyłączania niektórych genów w komórkach wyspecjalizowanych tkanek, aktywacja lub wyciszanie genów homeotycznych podczas rozwoju zarodka, utrzymujące się w dalszym rozwoju zawiązka danego narządu).
Dobrze poznano rolę tych mechanizmów w rozwoju modelowego nicienia Caenorhabitis elegans (za co m.in. przyznano nagrody Nobla w 2002 roku Bremerowi, Horvitzowi i Sulstonowi). Za pomocą dwuniciowego RNA można było uzyskać takie same efekty jak wskutek mutacji genów regulatorowych - np. dodatkowe linienia i letalny przerost vulvy.

Obecność takich mikroRNA wykazano u będących przedmiotem szczególnego zainteresowania genomiki porównawczej różnych roślin wyższych (wpływają np. na kształt kwiatów u lnicy, Linaria, czy rzodkiewnika, Arabidopsis thaliana) i zwierząt (np. u muszki owocowej, myszy i człowieka występują miRNA z opisanych pierwotnie u C. elegans rodzin let-/miR-98, lin-4/miR-125 i miR-1).

Wiadomo też, że wyciszanie genów zachodzi u samic ssaków, gdzie jeden z chromosmów X ma postać heterochromatynowego "ciałka Barra", dzięki czemu ekspresja genów tego chromosomu utrzymuje się na tym poziomie, co u samców (u drozofili zaś odwrotnie - chromosom samca jest aktywowany i podlega wyższej ekspresji, by dorównać parze u samicy). Analogicznie wyciszane są (losowo - matczyne lub ojcowskie) kopie genów na innych chromosomach (co widać choćby u kotów o szylkretowym ubarwieniu, gdzie część komórek skóry ma aktywny jeden, a część drugi allel).

Ponieważ częstość spontanicznych zmian epigenetycznych (wskutek przypadkowej metylacji lub demetylacji DNA) jest znacznie wyższa od częstości mutacji (a tym bardziej od mutacji wstecznych), można uznać takie niestabilne "epiallele" za szczególnie istotne dla procesu ewolucji w zmiennych (oscylujących) warunkach środowiskowych. Epimutacje umożliwiając więc skuteczniejszą adaptację pod działaniem doboru naturalnego - szybkie nadążanie za zmieniającymi się warunkami mimo stosunkowo stabilnych sekwencji genów.

U rzodkiewnika - o czym mówił w krótkim komunikacie Marcin Puzio (z pracowni prof. Jerzmanowskiego na UW, prowadzący badania pod opieką Szymona Świeżawskiego z IBB PAN i Carolne Dean z John Innes Centre) mechanizm wyciszania genów (gł. FLC) odpowiada m.in. za tzw. wernalizację, czyli blokowanie jesiennego kwitnienia przez konieczność przezimowania. Ten epigenetyczny mechanizm pozwala dostosowywać się roślinie do lokalnych warunków klimatycznych, wpływając na optymalizację pory kwitnienia.

Ponieważ wykazano, że epigenetyczne wyciszanie genów może być wprost regulowane przez czynniki środowiskowe (np. u kukurydzy przez temperaturę, a u myszy przez skład pożywienia), może one być ważnym mechanizmem plastyczności fenotypowej.

Wyciszanie genów przez wprowadzanie do komórki konkretnych, sklonowanych sekwencji RNA stanowi ważne narzędzie badawcze - umożliwia badanie roli dowolnie wybranych genów (tzw. reverse genetics), a w przyszłości może okazać się istotną metodą terapii genowej.

Z poznawaniem mechanizmów wyciszania genów wiążą się ciekawe zmiany paradygmatów genetyki: okazuje się, że ważne są też odcinki DNA nie kodujące białek (lecz RNA), że mutacja synonimiczna (nie zmieniająca sekwencji aminokwasów białka kodowanego przez dany gen) może nie być neutralna (bo inna sekwencja DNA zmieni interakcję z RNA i np. spowoduje, że dany gen nie zostanie wyciszony).

Co ciekawe, jak wyjaśniła Małgorzata Prajer (z krakowskiego Instytutu Systematyki i Ewolucji Zwierząt PAN) u orzęsków występuje mechanizm regulacji epigenetycznej podobny jak u wielokomórkowych eukariontów, ale jakby odwrotny (epigenetyczne modyfikacje są warunkiem ekspresji, a nie wyciszenia genu). Wiąże się to ze specyfiką genetyczną tej grupy. Jak wiadomo, u orzęsków, np. pantofelka, występuje mikronukleus (diploidalne jąderko), odpowiadające linii płciowej u zwierząt, i makronukleus (poliploidalne jądro, odpowiadające linii somatycznej u zwierząt, rozpadające się po podziale komórkowym i odbudowywane przez powielanie materiału z mikronukleusa).
Namnażane są jednak tylko te odcinki DNA, które mają swoje odpowiedniki w starym makronukleusie (odpowiadające im odcinki RNA chronią transkrypty z mikronukleusa przez degradacją, reszta, nieosłonięta, jest eliminowana). Dzięki temu, wprowadzając eksperymentalnie do makronukleusa odpowiednik normalnie wycinanego DNA, można sprawić, że odtąd będzie już kopiowane w następnych pokoleniach. Trudno jednak uznać to za lamarkowskie dziedziczenie cech nabytych, bo zmiana ta nie dokonuje się w naturalny sposób pod wpływem środowiska, ani nie zmierza do lepszego przystosowania do warunków.

Prof. Jerzy Dzik z Instytutu Paleobiologii PAN zaprezentował poglądy na ewolucję nicieni będące wynikiem połączenia danych z różnych dziedzin. Podkreślił, że dopiero niedawno doszło do przełamania impasu w filogenetyce taksonów wysokiej rangi, jaki zapanował w połowie XX wieku, kiedy wyczerpano możliwości tradycyjnej anatomii porównawczej. Połączenie danych morfologicznych, fizjologicznych, ekologicznych z danymi biologii molekularnej pozwala na weryfikowanie hipotez o pokrewieństwach różnych grup, a paleontologia pozwala kalibrować uzyskane drzewa rodowe.
Kopalne pasożytnicze nicienie znane są z owadów w bursztynach (poczynając od okresu kredowego), ślady pełzania nicieni (ze względu na brak mięśni poprzecznych nicienie zostawiają charakterystyczne "wężowe" tropy w osadzie) - od triasu. Z danych molekularnych wynika, że pasożytujące na zwierzętach nicienie pojawiły się niezależnie w kilku grupach (np. pasożyty owadów mają aparat gębowy wskazujący na roślinożernych przodków), a najpierwotniejsze były morskie wolnożyjące nicienie, które w późnym paleozoiku przystosowały się do życia w psammonie (między ziarnami piasku). Wymusiło to zmniejszenie rozmiarów i uproszczenie ich budowy (podobny los spotkał spokrewnione z nicieniami nitnikowce, których wczesnopaleozoiczni przodkowie mieli spore rozmiary), a także przystosowanie fizjologii do funkcjonowania w warunkach ubogich w tlen.
Brak pelagicznej larwy oraz struktury kutykularne łączą obie grupy z niezmogowcami (Priapulida - znanymi od kambru, a prawie niezmienionymi od karbonu) i innymi wylinkowcami (Ecdysozoa), takimi jak niesporczaki, pratchawce i stawonogi.
Dzieje obleńców sięgają więc późnego prekambru, a obecna anatomia, biologia rozwoju i ekologia Caenorhabditis elegans są wyrazem ewolucyjnie wtórnej specjalizacji.

Wątki poruszone w obficie ilustrowanym referacie prof. Dzika były kontynuowane w dyskusji kończącej warsztaty (zastanawiano się np. nad tym, jak wyglądały pierwsze zwierzęta, czy planktonowe larwy są pierwotne czy wtórne), podobnie jak rozważania na temat pierwotnej funkcji wyciszania genów. Sprawozdanie z Warsztatów ukaże się, jak zwykle, w Wiadomościach Ekologicznych.

Przypomniano też o sierpniowym Europejskim Kongresie Biologii Ewolucyjnej w Krakowie (http://www.eko.uj.edu.pl/eseb/).

Relacja z XXXIII Warsztatow
Program XXXIII Warsztatow

Relacja z XXXII Warsztatow
Program XXXII Warsztatow

Program XXXI Warsztatow

Program XXX Warsztatow

Program XXIX Warsztatów

Relacja z XXVIII Warsztatów.
Program XXVIII Warsztatów.

Zdjecia z XXVII Warsztatów.
Program XXVII Warsztatów.

Relacja z XXVI Warsztatów.
Program XXVI Warsztatów.

Relacja z XXV Warsztatów.

Oficjalna strona Warsztatow.