Evoluční novinky

Současná evoluční biologie má proti době Darwinově a době jeho ranějších následovníků velkou výhodu. Díky pokrokům ve fyziologii a molekulární i vývojové biologii se nemusí omezovat na otázky, zda je daná vlastnost výhodná a za jakých podmínek se prosadila. Nemusí tedy pátrat po ultimátních příčinách evolučních dějů. Může přímo zkoumat, jakým proximátním mechanismem se daná evoluční změna udála (například jakou hormonální změnou či mutací v konkrétním genu). Díky znalosti proximátních mechanismů můžeme lépe pochopit, proč se evoluce odvíjela právě takto. Paralelní vysvětlení na hladině ultimátní (květy jsou barevné pro přilákání opylovačů) a proximátní (květy jsou barevné, protože obsahují karotenoidy a xantofyly) se navzájem doplňují a obohacují.

Posedlost odhalováním proximátních mecha nismů je jedním z nejpříznačnějších rysů současné evoluční biologie. Stále však není jasné, jaký je převažující mechanismus vzniku evolučních novinek. Pokusíme se zamyslet, jaké genetické změny mohou být spojeny se zrodem nového fenotypu (čili nové vlastnosti), který je vystaven přirozenému výběru a může jím být shledán jako výhodný či alespoň neutrální. Zaměříme se na změny fenotypu mezi jedinci daného druhu a na rozdíly mezi poměrně blízce příbuznými druhy a ponecháme stranou úvahy o opravdu velkých evolučních změnách typu nového tělního plánu (proč jsou ostnokožci radiálně symetričtí, jak vznikly želvy ap.).

Zdůrazňuji, že si nemyslím, že za každou evoluční změnou fenotypu musíme nutně hledat změnu genetickou. Existují i jiné možnosti, ale o nich třeba někdy příště.

Jeden, dva, tři, hodně… počty genů odpovědných za fenotypovou změnu

Pátrámeli po genetické podstatě změny ve fenotypu mezi jedinci či mezi příbuznými druhy, v prvé řadě by nás mělo zajímat, kolik genů je za ně odpovědných. To zjistíme například křížením jedinců s různými fenotypy mezi sebou a pozorováním stavu znaku u potomstva. Znak může být řízen jedním či několika málo geny, a pak se dědí jednoduše podle Mendelových zákonů. Horší je to u znaků, které jsou řízeny mnoha geny, z nichž každý přispívá troškou.

Hodnoty polygenně řízených znaků mívají v populaci typicky normální rozložení. U mnoha polygenně řízených znaků patrně nikdy nebudeme vědět, kolik genů se na řízení podílí a jakých. Je tu totiž jeden zásadní problém. Mezi různými variantami jednoho genu, alelami, bývají složité vztahy, projevující se například jako dominance či recesivita. To známe samozřejmě i u znaků řízených několika málo geny, zde ale můžeme počítat s ovlivňováním alel v rámci mnoha lokusů najednou (lokus je kousek chromozomu, který zaujímá jeden nebo více genů). Ještě horší je to se vztahy alel v různých lokusech, u takzvaných epistatických interakcí. Účinky různých alel v různých lokusech mohou být roztodivné a nikdy nebudeme mít dost velký počet jedinců, abychom je všechny prozkoumali a prověřili.

Představme si jednoduchý případ, kdy je znak ovlivněn jen třemi geny, z nichž každý má pouhé dvě alely (označme si je A, a pro první gen, B, b pro druhý a C, c pro třetí). Přitom fenotyp jedince s genotypem AABBCC může být jiný než u jedince AabbCC, ten zase jiný než u jedince AaBbCC atd. Dopředu to nevíme, museli bychom prostě otestovat všechny případy – a těch je i v takto jednoduchém uspořádání 27. Raději si ani nepředstavujte pokus, který by měl odhalit vliv všech interakcí na variabilitu znaku regulovaného dejme tomu 100 geny s více alelami v každém z nich.

Potíže s odhalením genů odpovědných za polygenní znaky si můžeme ukázat na příkladu výšky těla u lidí. Se znalostí vaší výšky a výšky vašeho partnera můžeme odhadnout, jak velký bude váš potomek v dospělosti, ale přesnost této predikce je dosti malá. Výška u lidí je jasně polygenně řízený znak – víme to už od Francise Galtona, Darwinova bratrance. Ale kolik genů ovlivňuje pozorovanou variabilitu ve výšce lidí?

V loňském roce vyšly ve stejném čísle časopisu Nature Genetics hned tři nezávislé studie snažící se pomocí víceméně celogenomové analýzy stanovit genetickou podmíněnost tohoto komplexního znaku. Všechny použily stejnou metodiku mapování lokusů odpovědných za kvantitativní znak. Ideálně by se tímto způsobem měly najít všechny lokusy, v nichž nebo blízko nichž jsou umístěny geny odpovědné za variabilitu znaku. Zmíněné tři studie byly velkorysé: dohromady otestovaly 63 000 lidí. Vyřazeni byli lidé s nadměrně velkou, či naopak mimořádně malou postavou, u kterých může za abnormální vzrůst několik málo známých zmutovaných genů. Studie identifikovaly celkem 54 lokusů statisticky spojených s variabilitou ve výšce u „normálně“ vysoké populace.

Můžeme tedy říct, že za variabilitu lidské výšky jsou odpovědné geny ležící blízko nalezených 54 lokusů? Vůbec ne. Všechny tři studie se shodly pouze na třech lokusech, dohromady se aspoň dvě ze tří studií shodly na sedmi stejných lokusech. Jinak byly v rámci každé studie nalezeny lokusy úplně jiné. Nemělo by nás to překvapit – u polygenně řízených znaků jsou jednotlivé odhalené lokusy zpravidla charakteristické právě jen pro zkoumaný vzorek. Statistická síla pro jejich odhalení je i u takto obrovských počtů zkoumaných jedinců velmi malá i v případech, kdy má jednotlivá alela stejný projev bez ohledu na změny v genetickém pozadí (identitu alel ve stejném lokusu a v jiných lokusech). Co teprve při zkoumání nepřeberného množství dominantních, a hlavně epistatických interakcí.

V jednoduchosti je síla – přirozený výběr je účinnější u jednoduše geneticky podmíněných znaků

Vraťme se však k evoluční důležitosti genetické podmíněnosti znaku. Polygenně řízené znaky jsou z hlediska evoluce zdánlivě ideální: jsou geneticky podmíněné a existuje v nich velká variabilita, ze které je možno selektovat. Polygenně řízený znak se krůček po krůčku mění k svému selekčnímu optimu – krásný rozmazaný gradualistický svět, jaký má rád Richard Dawkins. Přirozený výběr má však zřejmě podobné problémy jako my, když se snažíme odhalit genetickou podstatu polygenního znaku. Musí honit příliš mnoho zajíců najednou (dávat přednost alelám v různých lokusech). Každý z nich přitom může v další generaci kličkovat úplně jinak (po pohlavním rozmnožování se jednotlivé alely dostávají na jiné genetické pozadí a mohou mít jiný vliv na fenotyp).

Až sem by se mnou patrně zhruba souhlasil Jaroslav Flegr se svou teorií zamrzlé plasticity. Dále však předpokládá, že přirozený výběr je v podstatě bezmocný, dokud se nehomogenizuje genetické pozadí, například kvůli inbreedingu (křížení mezi příbuznými). Na stejném genetickém pozadí pak mají jednotlivé alely v každé generaci stejný fenotypový účinek a přirozený výběr se může vesele vyřádit na změně fenotypu až do okamžiku, kdy naroste genetická variabilita a s plnou silou se zase projeví ty protivné interakce. Řešení chytré, ale trochu složité. Podle mne je pro přirozený výběr (stejně jako pro evoluční genetiky a biology) jednodušší pracovat na několika málo genech s většími až velkými účinky, které mají podobný dopad na fenotyp bez ohledu na šum různého genetického pozadí. To znamená na takové geny, které se chovají slušně – nejsou zataženy do hašteření v rámci sítě nepřehledných interakcí.

Pokud víme, právě jednoduché genetické změny s většími fenotypovými účinky jsou zdrojem evolučních novinek a uplatňují se třeba při evolučních procesech přímo spojených s proniknutím do nového prostředí a s přizpůsobením na ně. Koljušky jsou například primárně mořské ryby a ve svém původním prostředí jsou vybaveny kostěným brněním na bocích a pánevními trny. Po proniknutí do sladkých jezer několikrát opakovaně brnění i trny ztratily, což, jak jistě uznáte, je docela velká změna fenotypu. V kolika genech muselo dojít ke změně, aby se něco takového stalo? Překvapivě vlastně jen ve dvou – jeden je odpovědný za ztrátu brnění a druhý za ztrátu trnů.

Ani k podstatným změnám ve fenotypu tedy není zapotřebí zaměnit alely v mnoha lokusech a sebemenší detail nového fenotypu ladit spoustou genetických změn. Stačí málo jednoduchých změn a živý organismus se zachová jako integrovaný systém, který sám zařídí další nutné úpravy během ontogeneze (u obratlovců to mohou být například změny v úponech svalů, síle kostí ap.). Nemělo by nás proto překvapit, že se evoluční změny fenotypu spojené se změnami genetickými odehrávají spíš ve skocích či aspoň krůčcích, a ne v jednom rozmazaném kontinuu.

Pro zajímavost: I umělý výběr obvykle pracuje účinněji s několika málo geny, a to i u kvantitativních znaků. Velkou část varia bility ve velikosti těla mezi plemeny psa domácího tak například lze připsat změnám v zastoupení alel v jediném genu kódujícím růstový faktor IGF1. (Vzpomeňte si, že i u lidí je mimořádně nadměrný, či naopak mimořádně malý vzrůst spojen s genetickými změnami v několika málo konkrétních genech.)

Hlavní podezřelí z adaptivní evoluce – změna sekvence proteinů, genová duplikace, regulace genové exprese

Tak tedy dobře. Předpokládejme, že většina adaptivních změn fenotypu je spojená se změnou v jednom či několika málo lokusech. Ale s jakou změnou? Existuje totiž plejáda potenciálních změn, ke kterým může ve zkoumaném genu dojít. Zájem evolučních biologů se soustředil především na tři typy změn.

Tradičně to byly – a většinou stále jsou – hlavně bodové mutace. Záměna nukleotidu v sekvenci genu vede často k záměně aminokyseliny v proteinu. Tak se mění třeba barva povrchu těla. U dvou nepříbuzných druhů ptáků s polymorfismem ve zbarvení (husy sněžní a chaluhy příživné) jsou za jednotlivé barevné morfy odpovědné jednoduché záměny nukleotidů v sekvenci genu Mc1r, který kóduje receptor pro hormon stimulující melanocyty. Mutace ve stejném genu odpovídají změnám v barvě srsti několika savců, peří dalších ptáků i míře melanismu u některých plazů. Proč ale za změnu zbarvení často může změna jediného konkrétního genu, když se na zbarvení obratlovců podílí nejméně sto genů? Nevíme. Pravděpodobným vysvětlením může být, že změna v tomto genu není příliš pleiotropní, to znamená, že neovlivňuje nijak zásadně jiné funkce organismu.

Druhým často uvažovaným typem změn je změna v počtu kopií genů. Ve své takřka 40 let staré knize Evoluce genovou duplikací ji patřičně zdůraznil Susumu Ohno. Evoluce podle něj probíhá zejména zmnožením počtu kopií genů v genomu a následnou specializací těchto kopií na různé funkce. Jedna z kopií přitom může stále vykonávat funkci původní, čímž uteče negativním pleiotropním vlivům. Druhá může zastat funkce nové. V některých případech však může vadit (jindy naopak vyhovovat), že zmnožením kopií se změní genová dávka. V buňce se pak vyrábí větší množství daného proteinu, což může narušit např. stabilitu genových regulačních síti. Takže potenciálním negativním pleiotropním vlivům se mnohé genové duplikace také úplně nevyhnou.

Z nesmírného množství zdokumentovaných evolučních změn spojených se změnou počtu kopií genů je mým oblíbeným příkladem evoluce hadích jedů (Vesmír 87, 92, 2008/2). Jednotlivé složky hadích jedů se zpravidla vyvinuly z kopie genu kódujícího fyziologicky aktivní protein. Například protein sloužící k srážení krve po poranění byl u tajpaního předka využit rovněž k srážení krve, tentokrát ale v těle uštknuté oběti a v míře ohrožující život. I po dlouhé době nezávislé evoluce plní jednotlivé složky hadích jedů podobné fyziologické funkce jako jejich mateřský protein, ze kterého vznikly díky genové duplikaci.

Třetím diskutovaným typem genetických změn jsou změny v regulační oblasti genů. Podle této představy většina dejme tomu savců má vlastně zhruba stejný počet genů kódujících proteiny a tyto geny mají velmi podobné sekvence. Zpočátku představu podpořili MaryClaire Kingová a Alan Wilson. V sedmdesátých letech poukázali na podobnost v sekvencích proteinů mezi šimpanzem a člověkem (do obecného povědomí se vryla představa o člověku jako 99% šimpanzovi). Rozdíl mezi jedinci či druhy bude pak nejspíš v tom, jak se svými geny pracují. To znamená, jak moc a jak kdy stejné geny exprimují neboli v jakém množství a kdy jsou podle sekvence konkrétního genu vyráběny odpovídající proteiny.

Vůdčí postavou „evo-devo“ tábora,¹⁾ propagujícího změny v regulaci genové exprese jako tahouna evolučních novinek, je dnes Sean Carroll. Své články, učebnice i populární knihy koncipuje skoro jako kampaň na podporu svých myšlenek. Tvrdí, že změny v sekvencích genů kódujících proteiny mají mnoho negativních pleiotropních vlivů a genová duplikace je zase příliš vzácná,²⁾ než aby se výrazněji uplatňovala jako zásadní evoluční faktor. Proto navrhuje, že většina evolučních změn, přinejmenším v morfologii, se odehrála v oblastech řídících expresi genu, v takzvaných promotorech, kde mohou vznikat a zanikat spínače řídící výrobu proteinu v daném čase a v daném místě těla v podstatě bez negativních pleiotropních vlivů. Jednotlivé nově vzniklé spínače (říkáme jim cisregulační elementy) mohou využívat už existující poziční signály v těle, třeba hladiny morfogenů. Podle nich poznají, že buňka, ve které se právě nacházejí, je v základu končetiny a ne třeba v oku a že je potřeba začít vyrábět příslušný protein. Carrollovým nejprobádanějším příkladem přímo z jeho laboratoře je vznik tmavých skvrn na křídlech některých druhů octomilek, který je spojen s přesně lokalizovanou a načasovanou expresí genů kódujících proteiny potřebné k tvorbě skvrny. Řídící spínač využívá signály o rozvržení křídla na předozadní a mediální osu.

Nedávno byl tento „evo-devo“ směr evolučních biologů napaden „tradicionalisty“. Jerry Coyne a Hopi Hoekstrová se ostře pustili do všech bodů Carrollovy argumentace. Samozřejmě nevylučují úplně, že změny v regulaci genové exprese se v evoluci uplatňují. Pochybují ale o jejich důležitosti. Dokládají například, že genová duplikace není natolik vzácná, aby většina zásadních evolučních změn nemohla proběhnout právě touto cestou. I když přijmeme odhad uváděný Carrollem (jedna duplikace na 100 milionů let na gen), není to u obratlovců, kteří mají v genomu desítky tisíc genů kódujících proteiny, zas tak vzácná událost. Dále upozorňují, že u zhruba 21 % lidských genů kódujících proteiny nenajdeme odpovídající sekvenci u myši (a u šimpanze nezanedbatelných 6 %). Navíc se asi 80 % proteinů člověka a šimpanze mezi sebou liší aspoň v jedné aminokyselině a každá taková změna může mít vliv na funkci.

Nechci dělat arbitra mezi oběma tábory. Každý přišel se zajímavými nápady a příspěvky obou stran určitě posunuly diskusi o velký kus dopředu. Zdá se mi ale, že „tradicionalisté“ mají přece jen trochu navrch. Přispívají k tomu mimo jiné i údaje o docela podstatných změnách v počtu genů kódujících proteiny mezi savci, jak dokládá třeba nedávný rozbor genomu tura domácího. Na druhou stranu je pravda, že ze sekvence DNA si dost dobře umíme spočítat, jak bude výsledný protein vypadat, zatímco poznat funkci úseku řídícího expresi genů v promotoru je daleko složitější. A je celkem pravděpodobné, že důležité jsou změny v sekvenci, počtech genů i v jejich regulaci a ještě mnohé další, na které se v současné debatě ani v mém příspěvku nedostalo.