Hva er likheten mellom en hvetebolle og en laksekotelett?

16.10 2015 13:38

Av Simen Rød Sandve

Dette kunne vært begynnelsen på nok en dårlig ”Hva er likheten mellom”-vits. Men det er det altså ikke. Dette er begynnelsen på historien om hvordan nye gener blir født og hvorfor vi ikke alle er encellede kryp.

For de aller fleste er den eneste likheten mellom boller og laks at de er god mat. Ellers er vel det meste ulikt? Bollen kommer fra en plante, nemlig hveten. Mens laksen er en laks, som er et dyr med lungene utenpå. Men der dere ser forskjeller ser vi slående likheter. Som forskere har vi de siste fire årene kartlagt og studert arvematerialet til både hveten og laksen, og vi kan avsløre at både laks og hvete er genetiske freakshow. Mutanter med mange flere gener enn sine nærmeste slektninger.

I starten var de få…

Før vi avslører mer må vi rykke tilbake til start, til jordens første levende celler. Disse inneholdt veldig lite DNA med kun et fåtall gener (den aller første kanskje bare ett!). Tenk hvis den første ur-organismen hadde hatt et perfekt system for å kopiere DNAet sitt. Hver gang ur-cellen delte seg ble DNA-molekylet kopiert til perfeksjon, uten en eneste feil. Da hadde vi alle fortsatt vært ur-organismer - hvis vi ikke hadde dødd ut da.

For at nye og mer komplekse livsformer skulle kunne utvikle seg var det behov for mange flere enn en håndfull gener. Og enda viktigere – disse genene måtte kunne utføre ulike oppgaver!

I dag, 4 milliarder år etter at livet på jorden oppsto er det ikke uvanlig at flercellede dyr og planter har 10 000-vis av gener med ulike funksjoner.

..så ble de flere

Grunnen er at ur-organismen ikke hadde et perfekt kopieringssystem. Tilfeldige feilskjær under celledeling (mutasjoner) førte til at ett gen ble til to. Dette kalles genduplikasjoner på  «genetisk». Fødselsraten til gener er omtrent 0,01 per gen per millioner år.

Dette tilsvarer for eksempel at 65% av alle gener har blitt født på nytt – som en kopi av et eksisterende gen - siden dinosaurene døde ut. Heldigvis kan gener også dø og vaskes vekk fra arvematerialet vårt. Hvis ikke dette hadde skjedd ville cellene våre druknet i arvemateriale og vi hadde hatt millioner av gener.

De fleste nye gener kommer til verden ganske så alene eller sammen med en håndfull andre gener som befinner seg i nærheten av hverandre på DNA-molekylet (kromosomet). Men en sjelden gang skjer det et virkelig stort hopp i antall gener – når hele genomet, det vil si alle genene, blir duplisert samtidig. Dette er en mye mer uvanlig affære enn duplikasjoner av enkeltgener, men vi vet fra sammenligninger av genomer til ulike arter at dette har skjedd flere ganger i forfedre til planter, sopp og dyr.

Livets tre i en meget forenklet utgave. De grønne sirklene er et assortert utvalg av helgenomduplikasjoner de siste 4 milliarder år. De røde pilene viser dinosaurenes undergang.
Hva har dette med laksekoteletter og rosinboller å gjøre?

Tilbake til utgangspunktet: ”Hva er likheten mellom hvete og laks?”. 

Det mest åpenbare svaret, i hvert fall for oss genetikere, er at begge disse artene er produkter av genom-duplikasjoner, men på to helt ulike måter. Det er nemlig to måter å spontant doble antall gener på.

Man kan enten doble sitt eget arvemateriale – dette kalles auto-polyploidi - eller så kan man bli en polyploid hybrid ved å kombinere sitt genom med genomet til en nært beslektet art – dette kalles allo-polyploidi.

To måter å doble alle sine gener på. Hveten er en slik allo-polyploid hybrid og har gener fra tre ulike gressarter, mens laksen er en auto-polyploid og har dobbelt opp av sine egne gener.

Ved å studere genetikken til to av våre viktigste matvarer kan vi altså lære masse om grunnleggende evolusjonsprosesser for utviklingen av nye organismer på jorden.

Plantenes seier

Dersom genomduplisering hadde vært en VM-gren hadde plantene knust all konkurranse. Planteriket har massevis av både hybrider og allo-polyploider med doble og mangedoble sett av arvestoff.

Og du har helt sikkert spist flere av dem den siste måneden. Faktisk har mange av våre kultiverte matplanter mangedoble genom. Som sagt er hvete en polyploid hybrid, men ikke nok med det, den er en hybrid med tre foreldre! I hver hvetecelle finnes det derfor tre av hvert kromosom. Jordbær har hele åtte utgaver av arvematrialet mens vår kjære potet har fire.

Det er kanskje ikke tilfeldig at så mange kultiverte matplanter er polyploider. Forskning tyder på at flere sett gener kan resultere i raskere tilpasning til nye miljø, og dette er jo selvfølgelig en stor fordel ved foredling av jordbruksplanter. Men et av de mest spektakulære eksemplene på fordelene ved å ha doble gensett utspilte seg for hele 65 millioner år siden da jorden ble truffet av en komet.

Klimaet endret seg voldsomt og raskt slik at mange dyr og planter døde ut, deriblant dinosaurene. Med moderne genomforskning kan vi nå rekonstruere genomduplikasjoner tilbake i tid, og ganske så riktig - planter med doble genom bedret sin sjanse for å overleve klimakatastrofen for 65 millioner år siden og gi opphav til dagens suksessrike planteslekter.

Så hva skjer egentlig når ett gen blir til to, eller når hele cellens arvemateriale dobles. Hvordan kan dette ha så stor betydning for arters evolusjon?

Ofte skjer det ingenting. Den nye genkopien får aldri noen viktig funksjon. Den forblir bare til overs, eller til og med en ulempe for organismen,  og vil til slutt dø ut. Dette kan ta noen få generasjoner eller millioner av år, men er den desidert vanligste enden på visa for en genkopi.

Den andre muligheten er at nye mutasjoner i ett av genkopiene gir en fordel for organismen. Den nye mutanten blir til slutt den nye normalen og dermed unnslipper genkopien døden for denne gang. Dette kalles ’neo-funksjonalisering’ på «genetisk».

Laksens forvandlinger

For omtrentlig 100 millioner år siden gjennomgikk en fjern slektning av dagens laksefisk en forvandling: deres felles formor doblet sitt genom. Vår forskning har nylig avslørt at omtrent halvparten av disse 100 millioner år gamle genkopiene fortsatt er i bruk i dagens Atlantisk laks.

En spennende hypotese er at doblingen av gener muliggjorde utviklingen av noen av laksens spektakulære egenskaper, for eksempel laksens røde kjøtt eller evnen til bytte mellom å leve i ferskvann som ungfisk og saltvann som voksne (anadromi). Selv om dette fortsatt må regnes som spekulasjoner har ny norsk forskning gitt grobunn for denne hypotesen.

Et forskningsteam ledet av Prof. David Hazlerigg ved Universitetet i Tromsø studerte nylig hvordan laksen bruker sine to kopier av genet DIO2. Disse genene regulerer hvordan thyroid-hormonet virker i laks, et hormon som er essensielt for de fysiologiske endringer som kreves når laksen skal gå fra ferskvannselver og ut i det salte havet.

Resultatene viste at den ene DIO2-kopien skrus på når daglengden øker på våren og det er tid for å vandre fra elv til hav, mens den andre kopien blir skrudd på når fisken nærmer seg elvemunningen og saltkonsentrasjonen i vannet øker. På denne måten mener forskerne at laksens doble arvestoff har muliggjort en uavhengig regulering av generelle fysiologiske forberedelser til et voksenliv i havet og de spesifikke endringene av kroppens saltbalanse som trengs for å bli en ekte saltvannsfisk.

Vårt fantastiske minste felles multiplum

Mange biologer, oss inkludert, klarer ikke annet enn å betrakte naturen gjennom evolusjonshistoriens briller. Det er fantastisk å tenke på at alle verdens arter har en felles forfar/formor bare man går langt nok tilbake i tid.

Artenes minste felles multiplum er vår felles evolusjonshistorie – den milliarder-av-år lange historien om hvordan arter utviklet seg gjennom gradvis tilpasning og endring av allerede eksisterende løsninger. Den samme benstrukturen ble til vinger i flaggermus, føtter i mus og hender hos oss mennesker. På gennivå skjer det samme – eksisterende gener brukes som utgangspunkt for å utvikle nye gener med nye funksjoner. Etter at en sikkerhetskopi er tatt (genduplikasjon) står et av genene fritt til å eksperimentere. Og uten denne naturlige eksperimentering hadde vi hverken kunne kost oss med laksesashimi til middag eller en en tre-pak med sjokoladefylte hveteboller til dessert.

(Først på trykk i Aftenposten Viten, tirsdag 6. oktober 2015)

Siste blogger