Evolutionsspring

Forklaring til evolutionsspring: Samtidig fremvisning af hidtil skjulte mutationer.

 

Et protein, kaldet chaperone-proteinet hsp90, er et af de mest udbredte proteiner i dyr, planter og svampe. Det har til opgave at binde sig til ustabile proteiner, og derved sikre, at de beholder deres korrekte form. Derved beskyttes proteinerne mod at ændre form, når de f.eks. udsættes for høj temperatur i laboratorieforsøg ("hsp" = “heat shock protein” er et andet navn for chaperon-proteiner).

Dette hsp-protein har også en anden funktion - nemlig i forbindelse med, at cellen (i forbindelse med et eller andet bestemt formål) gør nogle proteiner ustabile, især proteiner, som regulerer udviklingen af organismen.
En af hsp90's opgaver er at holde disse proteiner på "stand-by", altså i stabil venteposition. Dette system findes praktisk talt i hvert eneste hjørne af cellens biokemi, som har noget med organismens individ-udvikling at gøre.
 Bananfluer, som har en mutant af hsp90-genet, får undertiden afkom, som ser overordentlig underlige ud. Det kan f.eks. være ved at øjnene vokser ud på stilke, hår dannes på forkerte steder, vingerne har afvigende vingemønster og form, insektets bugområde kan være delvis opfoldet, benene kan have forskellige former osv. Praktisk talt alle strukturer i bananfluen kan ændres. Når stoffet geldanamycin, som indvirker på hsp90-molekylet, blev givet til maddikelarver af normale bananfluer, frembragtes de samme ændringsmønstre hos strukturerne af de voksne fluer.

 

Bananflue - Drosophilia

 

 

Mest overraskende var det, at man opdagede, at hvert forældrepar havde tendens til at få afkom med en bestemt type af abnormaliteter. Forklaringen kunne derfor ikke blot være mangel på hsp90, for så ville virkningerne have været forskellige hver gang. Her var der tværtimod tale om en konstant nedarvning af en bestemt abnormalitet! Man nåede til sidst frem til en teori om, at abnormaliteterne måtte skyldes "kryptiske" gendefekter, som havde været til stede i mange generationer, men som først viste sig nu, fordi hsp90 var blevet stoppet i at gøre sit arbejde.

 

Dette hsp90-protein holder altså ustabile proteiner i en funktionsdygtig, stabil form, selv om proteinerne faktisk har ophobet nogle genetiske ændringer, som, hvis det ikke var for hsp90, ville have medført væsentlige formændringer og ændrede funktioner. Proteinet hsp90 kan altså holde mutationer skjult, således, at de ikke kommer til udtryk! (“Fænotypen” forbliver uændret, selv om “genotypen” ændres). Dette gælder også for proteiner, som regulerer individets udvikling. En bananflue kan i løbet af mange generationer have ophobet mange mutationer, som holdes skjult af hsp90.

 

Under stress-forhold, som ødelægger hsp90's stabiliserende funktion, kan disse ophobede, skjulte fejl pludselig komme samtidig frem i dagens lys. Stress i form af høj temperatur, giftige stoffer og utallige andre stressfaktorer kan altså få disse mange fejlformede proteiner til at vise sig. Disse stressfaktorer vil bevirke at cellen vil forsøge at producere mere hsp90, men hvis cellen ikke kan følge med vil der efterhånden komme mangel på hsp90, og de hidtil skjulte, fejlformede proteiner vil komme til frit udtryk. Hvis dette sker under maddikelarvens udvikling eller dens forvandling til et voksent insekt kan de skjulte mutationer i udviklingsgenerne frembringe pludselige kæmpeændringer i det voksne insekts form. hsp90 fungerer altså som en inkubator, vuggestue eller lager for opbevaring af genetisk variation, og er samtidig den triggermekanisme, som får disse variationer til at optræde i virkeligheden.

 

Hvad man ser i denne forbindelse hos bananfluer kendes også fra planten gåsemad, Arabidopsis thaliana. Stoffer, som indvirker på plantens hsp90, eller når hsp90-protein stresses med varme, får kimplanterne til at udvikle sig abnormt, f.eks. ved at rødderne vokser opad i stedet for nedad, ved ændringer i antallet af rodhår, eller ved blade som bliver som fyrrenåle, eller som krøller op, eller bliver usædvanlig pigmenterede osv.
 Når dette fænomen både gælder for et insekt og en plante, gælder det formentlig for mange andre organismer.

 

Når disse unormale karaktertræk først har vist sig, er der en tendens til, at de bedst egnede af de nye karaktertræk får lov at være synlige i de næste generationer også. F.eks. kunne det være en fordel for planten, at roden har flere eller færre rodhår. Anvendelse af bananfluerne viste, at efter få generationer kunne de nye egenskaber bevares, selv om hsp90-proteinet igen fik lov til at være funktionsdygtigt! Det er altså muligt, at nogle nedarvningslinier efterhånden ophober så mange potentielt gavnlige arvelige træk, at de til sidst bliver uafhængige af hsp90-beskyttelsen og derved pludselig kommer til at optræde som en ny organisme med flere samtidigt ændrede karaktertræk.

Den nye, ændrede organisme er altså resultat af den samtidige frigivelse af mange geners ophobede ændring, idet ophobningen af disse genændringer er sket over lang tid og har været holdt skjult af hsp90-proteinet. Desuden vil denne pludseligt ændrede organisme optræde netop når hsp90-proteinet bliver stresset, dvs. når der sker væsentlige ændringer i organismens livsbetingelser, f.eks. ændringer i miljøet. Dette er netop på samme tidspunkt, hvor der er behov for ændring i evolutionsprocessen. Samtidig er hsp-90 systemet bevis på, at der findes en stødpude-buffer for mutationer. Dette blev allerede foreslået af en britisk biolog, C.H.Waddington (1905-1975) i 1940'erne ud fra nogle forsøg. Opdagelsen af hsp90-systemet er første gang, man har fundet en sådan mutations-stødpude.
 Proteinet hsp90 og dets proteinbeskyttende virkemåde har været kendt meget længe, men denne særlige virkning, at det kan oplagre og frigive mutationer, har været helt ukendt for videnskaben.

 

Evnen til at oplagre og pludselig frigive mange mutationer på samme tid løser et fundamentalt problem: Nemlig hvordan arterne kan ændres fra en kropsform til en anden i de tilfælde, hvor mellemfaserne ville være skadelige for arten. Evnen til at ophobe og pludselig frigive et bundt af geners mutationer kan altså medføre store hop i evolutionsprocessen. Sådanne store hop kan gøre det muligt for en art at tilpasse sig nye miljøforhold. Dette kan endog have været årsagen til de hurtige spring, som er sket ved voldsomme miljøændringer i Jordens historie, f.eks. pludseligt i forbindelse med ændrede iltforhold. Det er sandsynligt, at hsp90-funktionen opstod som bivirkning af proteinets hovedfunktion, nemlig at beskytte proteiner mod miljøstress.

 

Proteinet hsp90 kan også have betydning ved ældningsprocessen. Efterhånden som et individ bliver ældre ophobes flere og flere problemproteiner, så hsp90 og andre chaperoneproteiner efterhånden har nok at gøre. Det ender med, at de ikke kan klare opgaven. Forsøg viser, at ældre rotter er mindre i stand til at modvirke stress end yngre rotter. Så snart hsp90-proteinet og dets proteinkolleger lader de skjulte mutationer kommer frem for dagen, udløses sygdomme som kræft, hjerteproblemer, sukkersyge osv. Man kan tænke sig, at lægemidler, som styrker chaperoneproteinerne, kan forsinke at dette sker. Et firma, Biorex, arbejder f.eks. på at øge mængden af chaperoneproteiner i stressede celler. Hvis lægemidlet kun virker i stressede celler vil bivirkningerne fra de normale celler være få. I dyreforsøg synes Biorex's midler at virke mod problemer i hjerte/blodkredsløbet og mod sukkersyge. To af firmaets stoffer undersøges nu i kliniske forsøg på mennesker. I et lille forsøg med 20 personer med højt blodtryk blev blodtrykket sænket over en 3 måneders behandling.

 

Selv om artiklen her kun har omtalt hsp90-proteinet, er det vigtigt at understrege, at dette kun er ét af talrige proteiner, som formentlig virker ved at skjule mutationer. Der er allerede begyndt at komme oplysninger om andre stoffer, med samme buffervirkning mod mutationer. F.eks har et chaperoneprotein kaldet GroEL i kolibakterier vist sig at hæmme skadelige mutationer.

 

Opdagelsen af de skjulte mutationer kan tænkes anvendt af plantegenetikere til hurtigt at ændre planters arvelige egenskaber uden at skulle bruge gensplejsning (som kræver nøjere kendskab til plantens DNA-opbygning) og uden behov for de tidskrævende, traditionelle krydsningsforsøg med vilde slægtninge. Hvis man kan frigøre de naturligt opståede, skjulte mutationer kan disse hurtigt afprøves.
 Desuden kan udviklingsgenetikere studere dyrs evolution ved at frigive de skjulte mutationer, som måtte være ophobet. Det kan gøres ved at bruge stoffer, som hæmmer hsp90, og at gøre dette på forskellige stadier af f.eks. en paddes udvikling fra haletudse til voksen frø. I det hele taget forventes det, at opdagelsen af de ophobede, skjulte mutationer vil åbne op for en hel flodbølge at ny forskning inden for evolutionsbiologien (litt.ref.2526).