Sjøanemone endrer synet på evolusjon

Flere gener betyr ikke nødvendigvis mer kompliserte livsformer. En av våre forfedre, et urdyr som levde for rundt 700 millioner år siden, minner genetisk sett overraskende mye om mennesket.

Publisert

Utforsk livets tre

Det finnes et eget prosjekt på nettet med en målsetting om å ha en oppføring for hver eneste art, og hver eneste gruppe organismer, levende eller utdødd.

Forbindelsene mellom dem danner en form som minner om et tre.

Prosjektet heter Tree of Life Web Project, og er et ypperlig utgangspunkt for å utforske livets forskjellige former - fra treets røtter til de ytterste grenene.

En annen fin oversikt over livets tre finner du på en nettside som heter Discover life.

Forskere som kartlegger organismers genomer har etter hvert klatret ned til noen av de lavere grenene på livets tre.

Her venter det naturlig noen overraskelser.

Det er i alle fall tilfelle for sjøanemonen Nematostella vectensis, som bare er noen få centimeter lang, gjennomsiktig tube med flere tentakler.

"Nematostella fanger saltkreps (ligner små reker) med tentaklene. Byttet blir sittende fast og lammes av stikkecellene, og tentaklene frakter det til munnen."
"Nematostella fanger saltkreps (ligner små reker) med tentaklene. Byttet blir sittende fast og lammes av stikkecellene, og tentaklene frakter det til munnen."

Den gjemmer seg i gjørma i brakkvannet langs øst- og vestkysten av USA, og rundt De britiske øyer.

Alt var enklere før?

Tradisjonelt sett har vi tenkt oss at de første dyrene var mye enklere enn oss mennesker genetisk sett.

 

Vi har sett for oss at genomene til forskjellige livsformer ble mer sammensatte etter hvert som nye biologiske slekter vokste frem gjennom evolusjon.

Mange av genene som finnes hos mennesker ser vi ikke i “enklere” skapninger som fluer eller nematoder (små rundormer).

Derfor har vi trodd at disse genene ble etablert med utviklingen av virveldyr (dyr med ryggrad).

Nye forskningsresultater viser at dette ikke stemmer.

Våre gener er mye eldre enn vi tidligere har trodd, og de første dyrene på planeten hadde en mye mer sammensatt genetisk struktur enn vi har vært klar over.

- Må endre synet

- Disse nye forskningsresultatene krever at vi må endre synet på evolusjonen til komplekse dyr, sier Ulrich Technau, gruppeleder ved Sars Centre for Marine Molecular Biology ved Unifob og Universitetet i Bergen.

Han er medforfatter på en artikkel som er publisert i dagens utgave av tidsskriftet Science.

Gjennom kartleggingen av genene til Nematostella vectensis viser forskerne hvordan veldig gamle genomer var svært komplekse og inneholdt mesteparten av genene som skal til for å bygge dagens mest sofistikerte flercellede skapninger.

Bemerkelsesverdig er det også at rekkefølgen av genene på kromosomene i stor grad er den samme hos sjøanemonen Nematostella vectensis og mennesket.

Ser bakover i tid

Ved å studere de forskjellige artene på livets tre, er det mulig å si noe om hvordan skapninger som har vært utdødd i flere hundre millioner år, var satt sammen.

- Å sammenligne genomer er som å se tilbake i tiden for å slutte seg til den genetiske planskissen for dyr, som tilhørte våre forfedre, sier Daniel Rokshar ved University of California i en pressemelding.

Han har ledet arbeidet med å kartlegge sjøanemonens genom.

"Sammensatt begynnelse: Den spalteformede munnen til Nematostella bryter med den radikale symmetrien som er karakteristisk for nesledyr. Dette morfologiske beviset på kompleksitet passer sammen med oppdagelsen av at sjøanemonens genom er sammensatt, mye på samme måten som vårt eget menneskegenom.> - Analysen gjorde oss i stand til å sammenligne sjøanemonen med andre dyr, og dermed se hvordan genomet til deres siste felles stamfar så ut, selv om slike skapninger har vært utdødd i 600 eller 700 millioner år, sier han. Forskerne mener at den analyserte sjøanemonen ligner på et primitivt urdyr som levde for rundt 700 millioner år siden. Det er dette urdyret som har gitt opphav til alle dyrene vi ser i dag - fra dagens sjøanemoner til koraller, bananfluer, rundormer, fisk, løver og mennesker.
"Sammensatt begynnelse: Den spalteformede munnen til Nematostella bryter med den radikale symmetrien som er karakteristisk for nesledyr. Dette morfologiske beviset på kompleksitet passer sammen med oppdagelsen av at sjøanemonens genom er sammensatt, mye på samme måten som vårt eget menneskegenom.> - Analysen gjorde oss i stand til å sammenligne sjøanemonen med andre dyr, og dermed se hvordan genomet til deres siste felles stamfar så ut, selv om slike skapninger har vært utdødd i 600 eller 700 millioner år, sier han. Forskerne mener at den analyserte sjøanemonen ligner på et primitivt urdyr som levde for rundt 700 millioner år siden. Det er dette urdyret som har gitt opphav til alle dyrene vi ser i dag - fra dagens sjøanemoner til koraller, bananfluer, rundormer, fisk, løver og mennesker.

Eumetazoer</p> <p> Alle dyr som har mer enn én celle i kroppen har den felles merkelappen <i>metazoer</i>, eller ganske enkelt flercellede dyr.</p> <p> Forskere skiller imidlertid mellom svampene, som er noe helt for seg selv, og alle de andre dyrene som har samlebetegnelsen <i>eumetazoer</i>.</p> <p> - Alt som sjøanemonen har, som også finnes hos mennesker, fluer, snegler eller andre eumetazoer, må allerede ha vært tilstede hos eumetazoenes felles stamfar, sier Rokhsar.</p> <p> Han sikter til det tidligere nevnte urdyret.</p> <p> Ved å sammenligne levende dyr, kan forskerne altså slutte seg til at de tidlige eumetazoene hadde mange av trekkene vi assosierer med dyr som lever i dag.</p> <p> De hadde et nervesystem, muskler, sanser, tarmsystem, og til og med spermier med små haler.</p> <p> Ved å sammenligne genomer, kan forskerne i tillegg slutte seg til hvilke gener som var tilstede hos de eldgamle forgjengerne, og hvordan kromosomene var strukturert.</p> <p class=”>Nesledyr

Sjøanemonen Nematostella vectensis hører til den biologiske rekken Cnidaria eller nesledyr, som også inkluderer maneter og koraller.

Genomet til sjøanemonen ligner forunderlig nok mer på genomene til mennesker og andre virveldyr enn det ligner på gjennomstuderte modelldyr som bananfluer eller nematoder.

Så langt har forskere lent seg veldig mye på bananfluer og nematoder for å forstå den genetiske evolusjonen opp mot virveldyrene.

"Klar for mat: Tentaklene og kroppen til Nematostella er dekt med stikkeceller. Dette er sensorceller som hjelper til med fangsten."
"Klar for mat: Tentaklene og kroppen til Nematostella er dekt med stikkeceller. Dette er sensorceller som hjelper til med fangsten."

Forskerne bak den nye studien forklarer anemonens større likhet med oss menneskene med at anemone- og virveldyrgenomene har beholdt mange opphavlige gener som fluer og nematoder synes å ha mistet på veien.

Genene til fluer og ormer har også blitt mikset sammen blant kromosomene, noe som gjør det vanskelig å spore genene bakover i evolusjonsprosessen.

Anemonegenomet, på sin side, har tydeligvis forandret seg mye mindre opp gjennom tidene.

Derfor er dette genomet en god referanse som kan sammenlignes med menneske- og andre virveldyrgenomer for å avdekke genene til våre felles stamfedre, i tillegg til å se hvordan disse genene var organisert på kromosonene.

Men inni er vi like?

Sjøanemonen har for eksempel rundt 18 000 gener, mens mennesker har rundt 20 000. Det betyr at stamfaren som levde for 700 millioner år siden hadde rundt regnet det samme antallet gener - mellom 18 000 og 20 000.

Mange av anemonens gener ligger på organismens 30 kromosomer i mønster som ligner beslektede gener på menneskenes 46 kromosomer.

- Mange gener som sitter tett sammen hos sjøanemonen sitter fortsatt tett sammen hos mennesker, selv etter 6-700 millioner år, sier Nik Putnam ved Department of Energy Joint Genome Institute i USA, studiens hovedforfatter.

Dette er altså genetiske likheter som kommer tydelig frem på tross av at en sjøanemone og et menneske ser veldig forskjellige ut.

Reguleringen skaper kompleksitet

- Kompleksitet i genomet er ikke på noen enkel måte koblet til kompleksitet i organismen, sier Putnam.

Mye av en organismes kompleksitet kan tilskrives reguleringen av eksisterende gener heller enn nye gener, og forskerne planlegger å se nøyere på denne typen regulering.

Våre opphavlige eumetazoer eller urdyr hadde allerede det genetiske utstyret til grunnleggende dyre-biokjemi, utvikling, og nerve- og muskelfunksjon.

Disse funksjonene oppstod ved en kombinasjon av eldgamle gener som finnes utenfor dyreriket, og rundt 1 500 nye gener som ikke finnes i tidligere former for liv.

- Vi kan spore den evolusjonære historien til rundt 80 prosent av eumetazoer-genene enda lenger tilbake i tid, før dyrenes opprinnelse, siden beslektede gener finnes hos sopp, planter, slimsopp og andre ikke-dyr, sier Putnam.

- Bare 20 prosent av de opprinnelige eumetazoer-genene synes å være unike for dyr. Femten prosent synes å være helt nye - vi kan ikke identifisere noen beslektede gener hos ikke-dyr.

- De siste fem prosentene ble dannet gjennom betydelige modifikasjoner på veldig gamle gener, sier Putnam.

Cellesamtaler

Så hva var egentlig nyheten med dyrenes inntog?

De nye genene i eumetazoene involverte i stor grad kommunikasjon mellom celler.

- Hos de tidlige dyrene fant cellene ut hvordan de skulle snakke med hverandre og koordinere sine aktiviteter, sier Putnam.

- Genene som er felles for alle komplekse celler involverer signalbaner inne i cellene, mens de nye dyre-spesifikke genene synes å komme med nye måter for cellene å interagere på.

Disse genene gjorde cellene i stand til å henge sammen, signalisere hverandre og overføre nervesignaler i en ny struktur kalt en synapse.

- I bunn og grunn har anemonen alle de grunnleggende mekanismene for å kommunisere med veden utenfor som vi ser hos mer morfologisk sammensatte dyr, sier Putnam.

- Vårt mål er å lære hvordan gener og genomer utviklet seg gjennom dyrenes historie, sier han.

Ny genetisk innsikt

Sjøanemonen er i ferd med å bli et viktig modelldyr for forskere som studerer utvikling, evolusjon, genomikk, reproduktiv biologi og økologi.

Ved å utforske den overraskende likheten med menneskegenomet kan vi dessuten få ny innsikt i rollen våre felles gener spiller i grunnleggende biologiske prosesser.

Det gjelder for eksempel differensiering av stamceller og cellebevegelse i både normal utvikling og ved sykdom, som for eksempel spredning av kreftceller.

I tillegg får vi mulighet til å forstå de genetiske fellestrekk for stressrespons og forsvar mot sykdomsfremkallende organismer, noe som kan få stor betydning innen både medisin og økologi.

Noen av de samme forskerne har også søkt gjennom anemonegenomet på jakt etter 283 menneskelige gener som er involvert i et stort spekter av sykdommer. De fant 226, som de rapporterer i juliutgaven av tidsskriftet Genome.

Nematostellas genom kan i fremtiden gi mer innsikt i den funksjonelle evolusjonen av menneskelige gener enn mange mer nært beslektede dyr.

Referanse:

Nicholas H. Putnam et al; Sea Anemone Genome Reveals Ancestral Eumetazoan Gene Repertoire and Genomic Organization; Science, 6. juli 2007.