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 ndre form, nr de f.eks. udsttes for hj temperatur i laboratorieforsg ("hsp" = heat shock protein er et andet navn for chaperon-proteiner).

Dette hsp-protein har ogs en anden funktion - nemlig i forbindelse med, at cellen (i forbindelse med et eller andet bestemt forml) gr nogle proteiner ustabile, isr proteiner, som regulerer udviklingen af organismen.
En af hsp90's opgaver er at holde disse proteiner p "stand-by", alts i stabil venteposition. Dette system findes praktisk talt i hvert eneste hjrne af cellens biokemi, som har noget med organismens individ-udvikling at gre.
 Bananfluer, som har en mutant af hsp90-genet, fr undertiden afkom, som ser overordentlig underlige ud. Det kan f.eks. vre ved at jnene vokser ud p stilke, hr dannes p forkerte steder, vingerne har afvigende vingemnster og form, insektets bugomrde kan vre delvis opfoldet, benene kan have forskellige former osv. Praktisk talt alle strukturer i bananfluen kan ndres. Nr stoffet geldanamycin, som indvirker p hsp90-molekylet, blev givet til maddikelarver af normale bananfluer, frembragtes de samme ndringsmnstre hos strukturerne af de voksne fluer.

 

Bananflue - Drosophilia

 

 

Mest overraskende var det, at man opdagede, at hvert forldrepar havde tendens til at f afkom med en bestemt type af abnormaliteter. Forklaringen kunne derfor ikke blot vre mangel p hsp90, for s ville virkningerne have vret forskellige hver gang. Her var der tvrtimod tale om en konstant nedarvning af en bestemt abnormalitet! Man nede til sidst frem til en teori om, at abnormaliteterne mtte skyldes "kryptiske" gendefekter, som havde vret til stede i mange generationer, men som frst viste sig nu, fordi hsp90 var blevet stoppet i at gre sit arbejde.

 

Dette hsp90-protein holder alts ustabile proteiner i en funktionsdygtig, stabil form, selv om proteinerne faktisk har ophobet nogle genetiske ndringer, som, hvis det ikke var for hsp90, ville have medfrt vsentlige formndringer og ndrede funktioner. Proteinet hsp90 kan alts holde mutationer skjult, sledes, at de ikke kommer til udtryk! (Fnotypen forbliver undret, selv om genotypen ndres). Dette glder ogs for proteiner, som regulerer individets udvikling. En bananflue kan i lbet af mange generationer have ophobet mange mutationer, som holdes skjult af hsp90.

 

Under stress-forhold, som delgger hsp90's stabiliserende funktion, kan disse ophobede, skjulte fejl pludselig komme samtidig frem i dagens lys. Stress i form af hj temperatur, giftige stoffer og utallige andre stressfaktorer kan alts f disse mange fejlformede proteiner til at vise sig. Disse stressfaktorer vil bevirke at cellen vil forsge at producere mere hsp90, men hvis cellen ikke kan flge med vil der efterhnden komme mangel p 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 kmpendringer i det voksne insekts form. hsp90 fungerer alts som en inkubator, vuggestue eller lager for opbevaring af genetisk variation, og er samtidig den triggermekanisme, som fr disse variationer til at optrde i virkeligheden.

 

Hvad man ser i denne forbindelse hos bananfluer kendes ogs fra planten gsemad, Arabidopsis thaliana. Stoffer, som indvirker p plantens hsp90, eller nr hsp90-protein stresses med varme, fr kimplanterne til at udvikle sig abnormt, f.eks. ved at rdderne vokser opad i stedet for nedad, ved ndringer i antallet af rodhr, eller ved blade som bliver som fyrrenle, eller som krller op, eller bliver usdvanlig pigmenterede osv.
 Nr dette fnomen bde glder for et insekt og en plante, glder det formentlig for mange andre organismer.

 

Nr disse unormale karaktertrk frst har vist sig, er der en tendens til, at de bedst egnede af de nye karaktertrk fr lov at vre synlige i de nste generationer ogs. F.eks. kunne det vre en fordel for planten, at roden har flere eller frre rodhr. Anvendelse af bananfluerne viste, at efter f generationer kunne de nye egenskaber bevares, selv om hsp90-proteinet igen fik lov til at vre funktionsdygtigt! Det er alts muligt, at nogle nedarvningslinier efterhnden ophober s mange potentielt gavnlige arvelige trk, at de til sidst bliver uafhngige af hsp90-beskyttelsen og derved pludselig kommer til at optrde som en ny organisme med flere samtidigt ndrede karaktertrk.

Den nye, ndrede organisme er alts resultat af den samtidige frigivelse af mange geners ophobede ndring, idet ophobningen af disse genndringer er sket over lang tid og har vret holdt skjult af hsp90-proteinet. Desuden vil denne pludseligt ndrede organisme optrde netop nr hsp90-proteinet bliver stresset, dvs. nr der sker vsentlige ndringer i organismens livsbetingelser, f.eks. ndringer i miljet. Dette er netop p samme tidspunkt, hvor der er behov for ndring i evolutionsprocessen. Samtidig er hsp-90 systemet bevis p, at der findes en stdpude-buffer for mutationer. Dette blev allerede foreslet af en britisk biolog, C.H.Waddington (1905-1975) i 1940'erne ud fra nogle forsg. Opdagelsen af hsp90-systemet er frste gang, man har fundet en sdan mutations-stdpude.
 Proteinet hsp90 og dets proteinbeskyttende virkemde har vret kendt meget lnge, men denne srlige virkning, at det kan oplagre og frigive mutationer, har vret helt ukendt for videnskaben.

 

Evnen til at oplagre og pludselig frigive mange mutationer p samme tid lser et fundamentalt problem: Nemlig hvordan arterne kan ndres fra en kropsform til en anden i de tilflde, hvor mellemfaserne ville vre skadelige for arten. Evnen til at ophobe og pludselig frigive et bundt af geners mutationer kan alts medfre store hop i evolutionsprocessen. Sdanne store hop kan gre det muligt for en art at tilpasse sig nye miljforhold. Dette kan endog have vret rsagen til de hurtige spring, som er sket ved voldsomme miljndringer i Jordens historie, f.eks. pludseligt i forbindelse med ndrede iltforhold. Det er sandsynligt, at hsp90-funktionen opstod som bivirkning af proteinets hovedfunktion, nemlig at beskytte proteiner mod miljstress.

 

Proteinet hsp90 kan ogs have betydning ved ldningsprocessen. Efterhnden som et individ bliver ldre ophobes flere og flere problemproteiner, s hsp90 og andre chaperoneproteiner efterhnden har nok at gre. Det ender med, at de ikke kan klare opgaven. Forsg viser, at ldre rotter er mindre i stand til at modvirke stress end yngre rotter. S snart hsp90-proteinet og dets proteinkolleger lader de skjulte mutationer kommer frem for dagen, udlses sygdomme som krft, hjerteproblemer, sukkersyge osv. Man kan tnke sig, at lgemidler, som styrker chaperoneproteinerne, kan forsinke at dette sker. Et firma, Biorex, arbejder f.eks. p at ge mngden af chaperoneproteiner i stressede celler. Hvis lgemidlet kun virker i stressede celler vil bivirkningerne fra de normale celler vre f. I dyreforsg synes Biorex's midler at virke mod problemer i hjerte/blodkredslbet og mod sukkersyge. To af firmaets stoffer undersges nu i kliniske forsg p mennesker. I et lille forsg med 20 personer med hjt blodtryk blev blodtrykket snket over en 3 mneders behandling.

 

Selv om artiklen her kun har omtalt hsp90-proteinet, er det vigtigt at understrege, at dette kun er t 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 hmme skadelige mutationer.

 

Opdagelsen af de skjulte mutationer kan tnkes anvendt af plantegenetikere til hurtigt at ndre planters arvelige egenskaber uden at skulle bruge gensplejsning (som krver njere kendskab til plantens DNA-opbygning) og uden behov for de tidskrvende, traditionelle krydsningsforsg med vilde slgtninge. Hvis man kan frigre de naturligt opstede, skjulte mutationer kan disse hurtigt afprves.
 Desuden kan udviklingsgenetikere studere dyrs evolution ved at frigive de skjulte mutationer, som mtte vre ophobet. Det kan gres ved at bruge stoffer, som hmmer hsp90, og at gre dette p forskellige stadier af f.eks. en paddes udvikling fra haletudse til voksen fr. I det hele taget forventes det, at opdagelsen af de ophobede, skjulte mutationer vil bne op for en hel flodblge at ny forskning inden for evolutionsbiologien (litt.ref.2526).