Geny układu odpornościowego łatwiej przepływają między gatunkami

"Nasze wyniki stanowią potwierdzenie dla hipotezy, że takie geny układu immunologicznego, w których faworyzowana jest różnorodność genetyczna, łatwiej przenikają przez bariery gatunkowe, niż inne geny" - podsumowała w rozmowie z PAP pierwsza autorka badań, dr Anna Fijarczyk z Uniwersytetu Jagiellońskiego.

"Pokazaliśmy, że geny, w których nowe, rzadkie warianty są korzystne, zachowują się w ewolucji stosunkowo podobnie do siebie. Nikt wcześniej tego nie pokazał" - dodaje kierownik zespołu prof. Wiesław Babik.

W przypadku większości genów ewolucja nieczęsto promuje innowacje. Najlepsze są sprawdzone sposoby. Weźmy choćby genowy przepis na produkcję hemoglobiny czy białek koniecznych w cyklu oddychania komórkowego. Tam prawie każda zmiana jest niebezpieczna, bo może zablokować sprawnie działającą maszynerię. Jeśli w genomie pojawia się jakiś nowy wariant takiego genu, zwykle jest on w kolejnych pokoleniach stopniowo usuwany. I po jakimś czasie w populacji nie pozostaje po takich ekscentrykach żaden ślad.

Inaczej jest jednak w przypadku genów związanych z układem odpornościowym. Tu jest inaczej: banalność oznacza zgubę. W przyrodzie trwa bowiem nieustanny wyścig zbrojeń gospodarz-pasożyt. Gospodarz stara się znaleźć nowe sposoby, by zniszczyć pasożyty i patogeny, a ci pasażerowie na gapę szukają metod, by ukryć się przed systemem obronnym gospodarza. Świetnie znają stare sztuczki gospodarza i wiedzą, jaką tarczę zastosować. Im więcej więc sposobów na walkę z wrogiem, tym większe szanse przeżycia.

Jeśli przyjąć bardzo szeroką definicję, można uznać, że u ludzi, podobnie jak u traszek, całe dwa tysiące genów stanowią geny przydatne w walce z patogenami - mówi dr Babik. Mimo to w populacji jest ciągle potrzebny dopływ "świeżych", skutecznych wariantów genów układu immunologicznego.

Ewolucja promuje więc różnorodność w takich genach. "Występuje tu tzw. dobór równoważący. To taka forma doboru naturalnego, która utrzymuje w populacji wiele wariantów danego genu" - opowiada dr Fijarczyk.

Sposobem na dopływ świeżych genów odporności jest krzyżowanie się osobników z różnych, niezbyt odległych od siebie gatunków. "Mechanizmy przepływu genów między gatunkami były dotąd słabo poznane" - opisuje dr Babik.

Naukowcy postanowili przyjrzeć się skutkom takiego krzyżowania się gatunków, jakie miało miejsce w przeszłości. Na szczęście bowiem w genomie współczesnych osobników widać, czy ich przodkowie krzyżowali się z innymi gatunkami. Ślady takiej hybrydyzacji można - dzięki metodom z pogranicza biologii i informatyki - znaleźć w genomie.

Naukowcy wzięli na warsztat traszki. Bo gatunki takie, jak traszka zwyczajna czy karpacka, choć różnią się od siebie i zamieszkują inne terytoria, to mogą krzyżować się ze sobą tam, gdzie ich zasięgi się stykają i mogą mieć płodne potomstwo.

I tak badacze porównywali sygnatury grupy genów związanych m.in. z układem odpornościowym i sygnatury innych losowo wybranych genów. I rzeczywiście okazało się, że warianty genów związanych z odpornością, pochodzące z innego gatunku rozpowszechniały się w populacjach. A po wariantach genów z innych klas ślady były znikome. W toku ewolucji zniknęły, bo nie przynosiły osobnikom żadnej przewagi.

"Przebadaliśmy ponad 600 genów związanych z odpornością i wybraliśmy z nich 13, w przypadku których rzadkie warianty mogą dawać przewagę. To było badanie całogenomowe" - podsumowuje dr Fijarczyk.

"Nasze badania są unikatowe. Wcześniejsze badania dotyczyły pojedynczych genów - np. genów zgodności tkankowej. A teraz przebadaliśmy całą klasę genów. I pokazaliśmy, że rzeczywiście akurat te geny, gdzie promowana jest różnorodność wariantów, łatwiej przepływają między gatunkami" - opowiada dr Babik.

I wyjaśnia, jak to działa. Powiedzmy, że traszka zwyczajna ma potomstwo z traszką karpacką. Potomstwo to od razu zyskuje - umie sobie radzić z infekcjami, z którymi nie poradziłby sobie ojciec, ale i z takimi, z którymi nie poradziłaby sobie matka. Jeśli osobnik taki znajdzie sobie partnera, jego potomstwo ma szansę odnieść większy sukces reprodukcyjny i rozprzestrzeniać swoje geny odporności w większej części populacji. To jednak nie znaczy, że wszystkie geny takiej hybrydy są rozpowszechniane. Nowe w danej grupie geny związane np. z kształtem czaszki czy wzorem na skórze wcale nie muszą się rozpowszechniać w kolejnych pokoleniach, bo nie ułatwiają przetrwania – a często wręcz szkodzą, gdyż nie współpracują dobrze z obecnymi już w gatunku genami. Nie przenoszą się więc już tak łatwo z jednego gatunku do drugiego. I to właśnie pokazali w badaniach bioinformatycznych naukowcy z UJ.

Aby sprawdzić, jakie geny są rozpowszechnione w populacjach, najpierw pobrano RNA ze śledziony dwóch traszek, aby sprawdzić, które geny układu odpornościowego są u tych zwierząt aktywne. A w dalszej części badania pobrano DNA od ponad 600 traszek. "Odcinaliśmy traszkom tylko kawałeczek ogona. A przecież ogon traszkom odrasta" - tłumaczy dr Babik. Dodaje, że DNA tych osobników sekwencjonowano i za pomocą metod bioinformatycznych szukano w genomie odpowiednich sygnatur.

Badania zostały sfinansowane przez Narodowe Centrum Nauki w ramach grantu Maestro, a ich wyniki ukazały się w sierpniu w czasopiśmie "Proceedings of the Royal Society B" http://dx.doi.org/10.1098/rspb.2018.0819

PAP - Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ zan/