/

Zagadki ukryte
w mitochondrialnym DNA

avatar
Dr Joanna Stojak 30 Gru, 8 minut czytania

 

W każdym organizmie zwierzęcym znajduje się materiał genetyczny, nazywany genomem, składający się z DNA jądrowego oraz DNA mitochondrialnego. DNA jądrowy zlokalizowany jest w jądrach komórek zwierzęcych i to właśnie on koduje większość informacji genetycznej. DNA mitochondrialny (tzw. mitogenom) zlokalizowany jest w mitochondriach. Te niewielkie organelle występują w niemal wszystkich komórkach organizmu i są bardzo liczne. Ich główną funkcją jest produkcja energii i regulacja metabolizmu komórek. Kod genetyczny mitochondrialnego DNA nieznacznie różni się od DNA jądrowego, ale oba genomy ściśle ze sobą współpracują.

Mitochondrialny DNA występuje w organizmie w dużych ilościach i bardzo łatwo go wyizolować, a potem namnożyć w warunkach laboratoryjnych. Dziedziczony jest „po kądzieli”, zatem w linii matczynej, co wprawdzie przedstawia tylko jedną stronę historii, ale wyklucza problemy związane z rekombinacją genów. Nagromadzone przez lata mutacje, zmiany w kodzie genetycznym przekazywane potomstwu, tworzą wyraźną ścieżkę prezentującą procesy ewolucyjne, z którymi określony gatunek musiał zmierzyć się w przeszłości. W zależności od tego, który fragment wybierzemy do analiz, mitochondrialny DNA odkryje przed nami fascynujące zagadki. Mogą być to bardzo krótkie fragmenty lub całe mitogenomy, wyizolowane zarówno z tkanek (włosów, skóry, kości, fragmentów mięśni lub organów wewnętrznych) pozyskanych od osobników współczesnych, jak i kopalnych (skamieniałości).

Historia świata po ostatnim zlodowaceniu

Być może wielu z nas to zaskoczy, ale żyjemy w epoce lodowcowej, a dokładniej w interglacjale, czyli cieplejszym okresie, gdy lodowiec wycofuje się na północ. Drastyczne zmiany temperatury i aktywność lodowców od zawsze znacząco wpływały na rozmieszczenie gatunków, a nawet ich wymieranie. W trakcie glacjałów, okresów gdy lądolód sięgał daleko w głąb Europy, gatunki strefy umiarkowanej ograniczały swoje zasięgi, wycofując się na cieplejsze obszary na południu kontynentu, aby tam przetrwać niekorzystne warunki klimatyczne i środowiskowe [1]. Odwilż wywabiała je z tych kryjówek, nazywanych refugiami glacjalnymi. Dziś analiza mitochondrialnej sekwencji cytochromu b, jednego z białek uczestniczącego w produkcji energii w mitochondriach, pozwala na zbadanie historii ewolucyjnej tych gatunków i odtworzenie tras, którymi ponownie rozprzestrzeniły się na całą Europę [2]. Dziedzinę, zajmującą się tymi zagadnieniami, nazwano filogeografią.

Wieloletnie badania ujawniły, że na obszarze Europy wyróżnić można znacznie więcej refugiów glacjalnych niż tylko refugia zlokalizowane na południowych półwyspach europejskich: Iberyjskim, Apenińskim i Bałkańskim [1, 2]. Okazuje się, że różne populacje tych samych gatunków wykazywały różną tolerancję na zimo. W ten sposób część gatunku przetrwała tylko na wspomnianym południu, a część była w stanie przetrwać na wyższych szerokościach geograficznych, m.in. na Kaukazie, na Nizinie Wschodnioeuropejskiej, w Karpatach i Nizinie Panońskiej [3-6]. Długa izolacja tych populacji doprowadziła do ich znacznego zróżnicowania się pod względem genetycznym i dziś te różnice pozwalają na wyróżnienie w obrębie gatunków tzw. linii filogenetycznych, czyli grup nieznacznie różniących się od siebie genetycznie [7]. Na podstawie tych informacji można określić współczesną strukturę genetyczną flory i fauny, a także określić jakie bariery genetyczne oraz geograficzne dla przepływu genów istnieją między nimi. Na przykład historia ewolucyjna konika polnego wykazała, że przetrwał on ostatnie zlodowacenie we wszystkich trzech refugiach południowych, jednak po ociepleniu się klimatu nie był w stanie przejść przez wysokie łańcuchy górskie Pirenejów i Alp, dlatego Europę zasiedlili wyłącznie potomkowie linii wywodzącej się z Bałkanów [1].

Jak klimat wpływa na bioróżnorodność?

Pojawia się pytanie: jak to możliwe, że różne osobniki tego samego gatunku (różne linie filogenetyczne) mogły przetrwać w zupełnie różnych warunkach klimatycznych i środowiskowych? Porównanie struktury genetycznej łasicy z długością zalegania pokrywy śnieżnej i średniej temperatury stycznia wykazało, że linia karpacka tego drapieżnika jest znacznie lepiej przystosowana do chłodnego klimatu niż inne linie [8]. W przypadku nornika burego, gryzonia preferującego wilgotne środowiska, ujawniono, że znaczny wpływ na ich strukturę genetyczną i rozmieszczenie w Europie miała średnia roczna ilość opadów [9]. Niewątpliwie, zmiany klimatu wymuszają na gatunkach wytwarzanie adaptacji do nowych warunków środowiskowych, kształtując strukturę genetyczną zarówno w skali lokalnej, jak i globalnej. Przetrwa najlepiej przystosowany, a zmiany, których doświadczały poszczególne gatunki, na stałe wpisane zostały w ich DNA.

Tego typu analizy okazują się bardzo przydatne w genetyce konserwatorskiej, która zajmuje się ochroną bioróżnorodności i zapobieganiem wymieraniu kolejnych gatunków. Dzięki poznaniu wzorców odpowiedzi różnych grup gatunków na zmiany klimatyczne i środowiskowe można modelować prognozy na przyszłość i podejmować działania łagodzące negatywny wpływ obserwowanych zmian [10, 11]. Modelowanie jest bardzo złożonym procesem, uwzględniającym nie tylko zmiany klimatu czy środowiska, ale dodatkowo preferencje siedliskowe gatunku, konkurencję międzygatunkową, dynamikę populacji, biologię i ekologię gatunku, bariery genetyczne i geograficzne, a także działalność człowieka. Filogeografia nieraz udowodniła, że to właśnie ludzie stanowią jedno z najpoważniejszych zagrożeń w wymieraniu gatunków [12].

Dawno temu w raju

Dzięki filogeografii poznano również historię wędrówek populacji ludzkich. Ekspansja z obszarów Afryki przez Bliski Wschód rozpoczęła się około 130 tysięcy lat temu, a w jej wyniku człowiek dotarł w najbardziej odległe zakątki świata – do Europy, wzdłuż wybrzeży Azji do Australii oraz przez Beringię (współcześnie nieistniejący pas lądu, łączący w trakcie okresu zlodowacenia obszary dzisiejszej Syberii i Azji) do obu Ameryk [13-15]. Analiza wsteczna mitochondrialnego DNA pozwoliła również na obliczenie wieku kobiety, od której pochodzą wszyscy współcześni ludzie. Szacuje się, że żyła około 200 tysięcy lat temu. Nazwano ją mitochondrialną Ewą [16].

Zsekwencjonowanie przez zespół Svante Pääbo pełnego mitogenomu neandertalczyka zrewolucjonizowało naukę i było początkiem badań nad relacjami panującymi pomiędzy ludźmi współczesnymi a naszymi wymarłymi krewnymi [17]. Okazało się bowiem, że 1-4% genomu wszystkich mieszkających poza Afryka ludzi ma pochodzenie neandertalskie! Co więcej, przekazane geny są niezwykle użyteczne, umożliwiając ludziom współczesnym tak daleką ekspansję. Od neandertalczyków otrzymaliśmy między innymi geny odpowiedzialne za jasny kolor skóry, włosów i oczu, pozwalając na skuteczną produkcję witaminy D w mniej nasłonecznionych regionach północnych. Z mniej korzystnych funkcji, które otrzymaliśmy od neandertalczyków w spadku, jest zwiększona krzepliwość krwi, dawniej odpowiedzialna za szybkie gojenie się ran, obecnie powodująca niebezpieczne skrzepy i udary.

Genetyczna metka

Poprawna identyfikacja gatunkowa stanowi postawę we wszystkich badaniach prowadzonych w biologii, ekologii, ochronie środowiska, działaniach konserwatorskich. Człowiek od zawsze czuł potrzebę usystematyzowania wiedzy o znanych mu gatunkach, a wraz z nowymi odkryciami, dalekimi podróżami, potrzeba ta stawała się coraz pilniejsza. Podwalinami dla współczesnej nomenklatury są prace Karola Linneusza. Wydawać by się mogło, że w nauce wiadomo już wszystko i nic nie może nas zaskoczyć. Okazuje się jednak, że każdego dnia odkrywamy nowe gatunki (szczególnie bogata okazuje się strefa tropikalna i głębiny morskie). Co więcej, zdarza się, że gatunki pozornie dobrze znane ludziom od wieków tak naprawdę stanowią grupę gatunków kryptycznych – morfologicznie wydają się być identyczne, jednak genetycznie bardzo się różnią. Po raz pierwszy takie zjawisko opisał Paul Hebert z zespołem dla motyli z gatunku Astraptes fulgerator [18]. Obecnie w identyfikacji gatunkowej łączy się dwa podejścia, tradycyjne, oparte na opisie cech morfologicznych oraz molekularne, oparte na analizie specyficznych fragmentów genomu, tzw. markery molekularne. Wspomniany wyżej Hebert zaproponował, aby traktować je jak „kody kreskowe” (ang. barcodes), otwierając w biologii molekularnej nowy rozdział i nową metodę badań – barkoding DNA. Bardzo szybko utworzono katalog sekwencji barkodowych specyficznych dla różnych gatunków, ułatwiający identyfikację gatunków z całego świata. Katalog jest na bieżąco uzupełniany. Dzięki temu możliwa jest identyfikacja nie tylko gatunków dobrze znanych nauce, ale także wykrywanie nowych gatunków lub kompleksów gatunków kryptycznych. Co więcej, dzięki barkodingowi DNA możliwe jest opisanie gatunku na postawie fragmentów ciała czy form larwalnych, często wręcz niemożliwych w identyfikacji morfologicznej. Analiza metabarkodingu DNA w krótkim czasie dostarcza informacji o składzie gatunkowym próbek złożonych z wielu gatunków, np. próbki gleby. Metoda ta wykorzystywana jest między innymi w analizie składu diety zwierząt [19, 20].

Jaki zatem powinien być idealny barkod DNA? Niewątpliwie taka sekwencja charakteryzuje się niską zmiennością w obrębie gatunku (około 2%) oraz wysoką zmiennością międzygatunkową (minimum 10%). Jednym z najpopularniejszych „kodów kreskowych” jest sekwencja mitochondrialnego genu podjednostki I oksydazy cytochromowej (COI, ang. cytochrome c oxidase subunit I), części kompleksu białkowego uczestniczącego w oddychaniu komórkowym w mitochondriach. Sekwencja ta jest szeroko stosowana w badaniach dotyczących różnych grup zwierząt, m.in. owadów [21, 22], ssaków [23] czy pasożytów [24].

Co w mitochondrium piszczy

W niniejszym artykule zaprezentowano tylko niektóre możliwości zastosowania mitochondrialnego DNA. Nietrudno zauważyć jednak, że prawidłowo użyty stanowić może potężne narzędzie badawcze. W dobie powszechnych i bardzo szybkich zmian klimatycznych staniemy w obliczu kolejnego masowego wymierania gatunków. Poznając przeszłość naszej planety, a także poprawnie szacując obecną na niej bioróżnorodność będziemy w stanie nie tylko uratować choć część bogactwa genetycznego, ale i uświadomić sobie jak wiele mamy do stracenia. Tworzenie nowych gatunków jest procesem żmudnym i powolnym. Tym bardziej szkoda by było pozwolić, aby wiele z już obecnych znikło z Ziemi za naszego życia.

 

Literatura:

[1] Hewitt GM. 1999. Post-glacial re-colonization of European biota. Biological Journal of the Linnean Society 68: 87-112.

[2] Avise J. C. 2000. Phylogeography: the history and formation of species. Harvard University Press, Cambrige, Massachusetts and London.

[3] Stewart JR, Lister AM. 2001. Cryptic northern refugia and the origins of the modern biota. Trends in Ecology and Evolution 16: 608-613.

[4] Stewart JR, Lister AM, Barnes I, Dalen L. 2010. Refugia revisited: individualistic responses of species in space and time. Proceedings of the Royal Society B 277: 661-671.

[5] Sommer R. S., Nadachowski A. 2006. Glacial refugia of mammals in Europe: evidence from fossil records. Mammal Review 36: 251–265.

[6] Stojak J, McDevitt AD, Herman JS, Searle JB, Wójcik JM. 2015. Post-glacial colonization of eastern Europe from the Carpathian refugium: evidence from mitochondrial DNA of the common vole Microtus arvalis. Biological Journal of the Linnean Society 115: 927-939.

[7] Avise J. C., Arnold J., Ball R. M., Bermingham E., Lamb T., Neigel J. E., Reeb C. A., Saunders N. C. 1987. Intraspecific phylogeography: The mitochondrial bridge between population genetics and systematic. Annual Review of Ecology, Evolution and Systematics

18: 489–522.

[8] McDevitt AD, Zub K, Kawałko A, Oliver MK, Herman JS, Wójcik JM. 2012. Climate and refugial origin influence the mitochondrial lineage distribution of weasels Mustela nivalis in a phylogeographic suture zone. Biological Journal of the Linnean Society 106: 57-69.

[9] Stojak J, Borowik T, Górny M, McDevitt AD, Wójcik JM. 2019. Climatic influences on the genetic structure and distribution of the common vole and field vole in Europe. Mammal Research 64: 19–29.

[10] Carstens B. C., Stoute H. N., Reid N. M. 2009. An information‐theoretical approach to phylogeography. Molecular Ecology 18: 4270–4282.

[11] Hickerson M. J., Carstens B. C., Cavender-Bares J., Crandall K. A., Graham C. H., Johnson J. B., Rissler L., Victoriano P. F., Yoder A. D. 2010. Phylogeography’s past, present, and future: 10 years after Avise, 2000. Molecular Phylogenetics and Evolution 54: 291–301.

[12] Cooper A., Turney C., Hughen K.A., Brook B.W., McDonald H.G., Bradshaw C.J.A. 2015. Abrupt warming events drove Late Pleistocene Holarctic megafaunal turnover. Science 349: 602-606.

[13] Scerri E. M. L., Drake N. A., Jennings R., Groucutt H. S. 2014. Earliest evidence for the structure of Homo sapiens populations in Africa. Quaternary Science Reviews 101: 207-216.

[14] Hoffecker J. F., Elias S. A., O’Rourke D. H., Scott G. R., Bigelow N. H. 2016. Beringia and the global dispersal of modern humans. Evolutionary Anthropology 25: 64-78.

[15] Groucutt H. S., Petraglia M. D., Bailey G., Scerri E. M. L., Parton A., Clark-Balzan L., Jennings R. P., Lewis L., Blinkhorn J., Drake N. A., Breeze P. S., Inglis R. H., Devès M. H., Meredith-Williams M., Boivin N., Thomas M. G., Scally A. 2015. Rethinking the dispersal of Homo sapiens out of Africa. Evolutionary Anthropology 24: 149-164.

[16] Rohde D. L. T., Olson S., Chang J. T. 2004. Modelling the recent common ancestry of all living humans. Nature 431: 562-566.

[17] Green R.E., Malaspinas A.S., Krause J., Briggs A.W., Johnson P.L.F., Uhler C., Meyer M., Good J.M., Maricic T., Stenzel U., Prüfer K., Siebauer M., Burbano H.A., Ronan M., Rothberg J.M., Egholm M., Rudan P., Brajković D., Kućan Ž., Gušić I., Wikström M., Laakkonen L., Kelso J., Slatkin M., Pääbo S. 2008. A complete Neandertal mitochondrial genome sequence determined by high-throughput sequencing. Cell 134 (3): 416-426.

[18] Hebert P.D.N., Cywinska A., Shelley L.B., deWaard J.R. 2003. Biological identifications

through DNA barcodes. Proceedings of the Royal Society B 270: 313-321.

[19] Kowalczyk R, Wójcik JM, Taberlet P, Kamiński T, Miquel C, Valenti A, Crainec JM, Coissac E. 2019. Foraging plasticity allows a large herbivore to persist in a sheltering forest habitat: DNA metabarcoding diet analysis of the European bison. Forest Ecology and Management 449.

[20] Boggs L.M., Scheible M.K.R., Machado G., Meiklejohn K.A. 2019. Single fragment or bulk soil DNA Metabarcoding: which is better for characterizing biological taxa found in surface soils for sample separation? Genes 10(6): 431.

[21] Timmermans M.J.T.N., Vogler A.P. 2012. Phylogenetically informative rearrangements in mitochondrial genomes of Coleoptera, and monophyly of aquatic elateriform beetles (Dryopoidea). Molecular Phylogenetics and Evolution 63(2): 299-304.

[22] Wells J.D., Sperling F.A.H. 2001. DNA-based identification of forensically important

Chrysomyinae (Diptera: Calliphoridae). Forensic Science International 120: 110-115.

[23] Ivanova N.V., Clare E.L., Borisenko A.V. 2012. DNA barcoding in mammals. Methods in Molecular Biology 858: 153-182.

[24] Kołodziej-Sobocińska M, Stojak J, Kondzior E, Ruczyńska I, Wójcik JM. 2019. Genetic diversity of two mitochondrial DNA genes in Spirometra erinaceieuropaei (Cestoda: Diphyllobothridae) from Poland. Journal of Zoological Systematics and Evolutionary Research 57: 764-777.

 

Podziel się: