W głębi zimy temperatury wody w pokrytym lodem Oceanie Arktycznym mogą spadać poniżej zera. Jest to wystarczająco zimno, aby zamrozić wiele ryb, ale warunki te nie stanowią problemu dla dorsza. Białko w jego krwi i tkankach wiąże się z maleńkimi kryształkami lodu i powstrzymuje je przed wzrostem.

Gdzie dorsz dostał ten talent był zagadką, którą biolog ewolucyjny Helle Tessand Baalsrud chciała rozwiązać. Ona i jej zespół z Uniwersytetu w Oslo przeszukali genomy dorsza atlantyckiego (Gadus morhua) i kilku jego najbliższych krewnych, myśląc, że uda im się wyśledzić kuzynów genu zapobiegającego zamarzaniu. Żaden z nich się nie pojawił. Baalsrud, która w tym czasie była świeżo upieczonym rodzicem, martwiła się, że jej brak snu powoduje, że przegapiła coś oczywistego.

Ale potem natknęła się na badania sugerujące, że geny nie zawsze ewoluują z istniejących, jak od dawna przypuszczali biolodzy. Zamiast tego, niektóre są modowane z opuszczonych odcinków genomu, które nie kodują żadnych funkcjonalnych cząsteczek. Kiedy przyjrzała się genomom ryb, dostrzegła wskazówki, że tak właśnie może być: białko zapobiegające zamarzaniu – niezbędne do przeżycia dorsza – zostało najwyraźniej zbudowane od podstaw1. Do tego czasu inny badacz doszedł do podobnego wniosku.2

Dorsz jest w dobrym towarzystwie. W ciągu ostatnich pięciu lat badacze znaleźli liczne oznaki tych nowo powstałych genów „de novo” w każdej linii, którą badali. Obejmują one organizmy modelowe, takie jak muszki owocowe i myszy, ważne rośliny uprawne i ludzi; niektóre z tych genów są wyrażane w mózgu i tkance jąder, inne w różnych nowotworach.

Geny de novo skłaniają nawet do ponownego przemyślenia niektórych części teorii ewolucji. Konwencjonalna mądrość głosiła, że nowe geny mają tendencję do powstawania, gdy istniejące geny są przypadkowo powielane, mieszane z innymi lub rozbijane, ale niektórzy badacze uważają teraz, że geny de novo mogą być dość powszechne: niektóre badania sugerują, że co najmniej jedna dziesiąta genów może być tworzona w ten sposób; inni szacują, że więcej genów może powstać de novo niż z powielania genów. Ich istnienie rozmywa granice tego, co stanowi gen, ujawniając, że materiałem wyjściowym dla niektórych nowych genów jest niekodujące DNA (patrz „Narodziny genu”).

Zdolność organizmów do zdobywania nowych genów w ten sposób jest świadectwem „plastyczności ewolucji, dzięki której coś pozornie niemożliwego staje się możliwe”, mówi Yong Zhang, genetyk z Instytutu Zoologii Chińskiej Akademii Nauk w Pekinie, który badał rolę genów de novo w ludzkim mózgu.

Ale naukowcy muszą jeszcze wypracować, jak definitywnie zidentyfikować gen jako de novo, a pytania wciąż pozostają nad tym, jak dokładnie – i jak często – się rodzą. Naukowcy zastanawiają się również, dlaczego ewolucja miałaby zawracać sobie głowę tworzeniem genów od podstaw, skoro istnieje już tak wiele gotowego materiału. Takie podstawowe pytania świadczą o tym, jak młoda jest to dziedzina. „Nie trzeba się cofać o wiele lat, by odrzucić ewolucję genów de novo” – mówi Baalsrud.

Nowi przybysze

W latach 70. genetycy postrzegali ewolucję jako proces raczej konserwatywny. Kiedy Susumu Ohno wysunął hipotezę, że większość genów ewoluuje poprzez duplikację3, napisał, że „W ścisłym sensie nic w ewolucji nie jest tworzone de novo. Każdy nowy gen musi powstać z już istniejącego genu.”

Dublowanie genów występuje, gdy błędy w procesie replikacji DNA wytwarzają wiele instancji genu. Przez pokolenia wersje te gromadzą mutacje i różnią się od siebie, tak że w końcu kodują różne cząsteczki, każda z własną funkcją. Od lat 70. badacze znaleźli mnóstwo innych przykładów na to, jak ewolucja manipuluje genami – istniejące geny mogą zostać rozbite lub „bocznie przeniesione” między gatunkami. Wszystkie te procesy mają coś wspólnego: ich głównym składnikiem jest istniejący kod z dobrze naoliwionej maszyny molekularnej.

Ale genomy zawierają znacznie więcej niż tylko geny: w rzeczywistości tylko kilka procent ludzkiego genomu, na przykład, faktycznie koduje geny. Obok nich znajdują się znaczne odcinki DNA – często określane jako „śmieciowe DNA” – które wydają się nie pełnić żadnej funkcji. Niektóre z tych odcinków dzielą cechy z genami kodującymi białka, nie będąc w rzeczywistości samymi genami: na przykład, są one usiane trzyliterowymi kodonami, które mogłyby, w teorii, powiedzieć komórce, aby przetłumaczyć kod na białko.

Nie było aż do dwudziestego pierwszego wieku, że naukowcy zaczęli dostrzegać wskazówki, że niekodujące odcinki DNA mogą prowadzić do nowych funkcjonalnych kodów dla białek. Ponieważ sekwencjonowanie genetyczne posunęło się do punktu, w którym badacze mogli porównywać całe genomy bliskich krewnych, zaczęli oni znajdować dowody na to, że geny mogą znikać dość szybko w trakcie ewolucji. To sprawiło, że zaczęli się zastanawiać, czy geny mogą równie szybko powstawać.

W 2006 i 2007 roku genetyk ewolucyjny David Begun z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis opublikował prace, które wielu uważa za pierwsze prace przedstawiające argumenty za konkretnymi genami powstającymi de novo u muszek owocowych4,5. Badania te powiązały te geny z reprodukcją samców: Begun stwierdził, że ulegały one ekspresji w jądrach i gruczole płynu nasiennego, gdzie, jak się wydaje, potężna ewolucyjna siła doboru płciowego napędzała narodziny genów.

Nieco wcześniej genomik ewolucyjny Mar Albà z Hospital del Mar Medical Research Institute w Barcelonie w Hiszpanii wykazał, że im młodszy jest gen, ewolucyjnie rzecz biorąc, tym szybciej ma tendencję do ewolucji6. Spekulowała, że może to wynikać z faktu, że cząsteczki kodowane przez młodsze geny są mniej dopracowane i wymagają większego dostrojenia, co może być konsekwencją tego, że geny te powstały de novo – nie były związane z poprzednią funkcją tak ściśle, jak te, które wyewoluowały ze starszych genów. Zarówno Albà, jak i Begun wspominają, że publikacja ich wczesnych prac na ten temat stanowiła wyzwanie. „Było wiele sceptycyzmu” – mówi Albà. „To niesamowite, jak wszystko się zmieniło.”

Badania zaczęły również rozpracowywać, co robią geny de novo. Jeden z genów pozwala na przykład rzeżusze (Arabidopsis thaliana) produkować skrobię, a inny pomaga komórkom drożdży rosnąć. Zrozumienie, co robią one dla swoich gospodarzy, powinno pomóc wyjaśnić, dlaczego istnieją – dlaczego korzystne jest tworzenie od podstaw, a nie ewolucja z istniejącego materiału. „Nie zrozumiemy, dlaczego te geny ewoluują, jeśli nie zrozumiemy, co robią”, mówi Begun.

Geny w oczekiwaniu

Badanie genów de novo okazuje się być po części genetyką, po części eksperymentem myślowym. „Dlaczego nasza dziedzina jest tak trudna?” – pyta Anne-Ruxandra Carvunis z Uniwersytetu w Pittsburghu w Pensylwanii. „Wynika to z kwestii filozoficznych”. U jego podstaw leży pytanie, które Carvunis zadaje od dekady: czym jest gen?

Gen jest powszechnie definiowany jako sekwencja DNA lub RNA, która koduje funkcjonalną cząsteczkę. Genom drożdży zawiera jednak setki tysięcy sekwencji, znanych jako otwarte ramki odczytu (ORF), które teoretycznie mogłyby zostać przetłumaczone na białka, ale genetycy zakładali, że są one albo zbyt krótkie, albo wyglądają zbyt różnie od tych w blisko spokrewnionych organizmach, by pełnić prawdopodobną funkcję.

Kiedy Carvunis badała ORF-y drożdży w ramach swojego doktoratu, zaczęła podejrzewać, że nie wszystkie z tych fragmentów leżą uśpione. W badaniu7 opublikowanym w 2012 roku przyjrzała się, czy te ORF-y były transkrybowane na RNA i tłumaczone na białka – i, podobnie jak geny, wiele z nich było – choć nie było jasne, czy te białka były użyteczne dla drożdży, ani czy były tłumaczone na wystarczająco wysokim poziomie, by pełnić jakąś funkcję. „Czym więc jest gen? Nie wiem” – mówi Carvunis. To, co uważa, że znalazła, chociaż, jest „surowym materiałem – rezerwuarem – dla ewolucji”.

Niektóre z tych genów w oczekiwaniu, lub to, co Carvunis i jej koledzy nazwali proto-genami, były bardziej podobne do genów niż inne, z dłuższymi sekwencjami i większą ilością instrukcji niezbędnych do przekształcenia DNA w białka. Proto-geny mogłyby stanowić żyzny poligon doświadczalny dla ewolucji, aby przekształcić niekodujący materiał w prawdziwe geny. „To jak start beta”, sugeruje Aoife McLysaght, która pracuje nad ewolucją molekularną w Trinity College Dublin.

Niektórzy badacze wyszli poza obserwację, aby manipulować organizmami do wyrażania materiału niekodującego. Michael Knopp i jego koledzy z Uniwersytetu Uppsala w Szwecji wykazali, że wstawianie i ekspresja losowo wygenerowanych ORF-ów do Escherichia coli może zwiększyć odporność bakterii na antybiotyki, przy czym jedna sekwencja wytwarza peptyd, który zwiększa odporność 48-krotnie8. Stosując podobne podejście, Diethard Tautz i jego zespół z Max Planck Institute for Evolutionary Biology w Plön, Niemcy, wykazali, że połowa sekwencji spowalniała wzrost bakterii, a jedna czwarta wydawała się go przyspieszać9 – choć wynik ten jest przedmiotem dyskusji. Takie badania sugerują, że peptydy pochodzące z przypadkowych sekwencji mogą być zaskakująco funkcjonalne.

Ale przypadkowe sekwencje DNA mogą też kodować peptydy, które są „reaktywne i paskudne i mają tendencję do agregacji i robienia złych rzeczy” – mówi biolog ewolucyjny Joanna Masel z Uniwersytetu Arizony w Tucson. Ekspresja tych sekwencji na niskim poziomie mogłaby pomóc doborowi naturalnemu odsiać potencjalnie niebezpieczne porcje – te, które tworzą niechlujne lub źle złożone białka – tak, że to, co pozostaje w gatunku, jest stosunkowo łagodne.

Tworzenie genów z regionów niekodujących może mieć pewne korzyści w porównaniu z innymi metodami tworzenia genów, mówi Albà. Powielanie genów jest „bardzo konserwatywnym mechanizmem”, jak mówi, produkującym dobrze przystosowane białka wycięte z tej samej tkaniny, co ich przodkowie; geny de novo, dla kontrastu, prawdopodobnie będą produkować wyraźnie inne cząsteczki. To może utrudnić im dopasowanie się do dobrze ustalonych sieci genów i białek – ale mogą też być lepiej przystosowane do pewnych nowych zadań.

Nowo wybity gen może pomóc organizmowi odpowiedzieć na zmianę w środowisku, na przykład. Wydaje się, że tak było w przypadku dorsza, który nabył swoje białko zapobiegające zamarzaniu, gdy półkula północna ochłodziła się jakieś 15 milionów lat temu.

Stopa urodzeń

Aby prześledzić, które z genów organizmu zostały stworzone de novo, badacze potrzebują wyczerpujących sekwencji dla organizmu i jego bliskich krewnych. Jedną z roślin uprawnych, która pasuje do tego rachunku, jest ryż. Upał panujący na Hainanie, tropikalnej wyspie w południowych Chinach, jest idealnym środowiskiem do jego uprawy, choć warunki pracy mogą być trudne. To straszne” – mówi genetyk ewolucyjny Manyuan Long z Uniwersytetu Chicago w stanie Illinois. Jest tak gorąco, że „można ugotować jajko w piasku”.

Zespół Longa chciał wiedzieć, ile genów pojawiło się de novo w odmianie Oryza sativa japonica i jakie białka te geny mogą wytwarzać. Zespół porównał więc genom tego gatunku z genomami jego bliskich krewnych i wykorzystał algorytm do wybrania regionów, które u jednych gatunków zawierały gen, a u innych go nie posiadały. Pozwoliło to badaczom zidentyfikować niekodujące DNA, które doprowadziło do powstania danego genu i prześledzić jego drogę do bycia genem. Mogli również zsumować liczbę genów de novo, które pojawiły się w szczepie: 175 genów w ciągu 3,4 miliona lat ewolucji10 (w tym samym okresie szczep uzyskał 8 razy więcej genów z duplikacji).

Badania te dotyczą jednego z największych zmartwień tej dziedziny: jak stwierdzić, czy gen jest naprawdę de novo. Odpowiedzi różnią się diametralnie, a podejścia wciąż ewoluują. Na przykład, we wczesnym badaniu znaleziono 15 genów de novo w całym porządku naczelnych11; w późniejszej próbie znaleziono 60 tylko u ludzi12. Jedną z możliwości znalezienia genów kandydujących de novo jest zastosowanie algorytmu do wyszukiwania podobnych genów u spokrewnionych gatunków. Jeśli nic się nie pojawi, to możliwe, że gen powstał de novo. Ale nie znalezienie krewnego nie oznacza, że go tam nie ma: gen mógł zostać utracony po drodze lub mógł zmienić kształt z dala od swoich krewnych. Badanie ryżu ominęło ten problem, wyraźnie identyfikując kawałki niekodującego DNA, które stały się genami de novo.

Przez długie okresy ewolucji – znacznie dłuższe niż kilka milionów lat ewolucji ryżu – trudno jest odróżnić gen de novo od takiego, który po prostu odbiegł zbyt daleko od swoich przodków, by być rozpoznawalnym, więc określenie absolutnej liczby genów, które powstały de novo, a nie z duplikacji „jest pytaniem prawie bez odpowiedzi”, mówi Tautz.

Aby zademonstrować, jak różne mogą być wyniki różnych metod, genetyk ewolucyjny Claudio Casola z Texas A&M University w College Station wykorzystał alternatywne podejścia do ponownej analizy wyników poprzednich badań i nie udało mu się zweryfikować 40% genów de novo, które zaproponował13. Dla Casoli wskazuje to na potrzebę standaryzacji testów. Obecnie, mówi on, „wydaje się to być bardzo niespójne”.

Liczenie genów de novo w genomie ludzkim wiąże się z tą samą ścieżką zastrzeżeń. Ale tam, gdzie geny de novo zostały zidentyfikowane, naukowcy zaczynają badać ich rolę w zdrowiu i chorobie. Zhang i jego koledzy odkryli, że jeden z genów unikalnych dla ludzi ulega większej ekspresji w mózgach osób z chorobą Alzheimera14 , a wcześniejsze prace15 wiązały pewne warianty tego genu z uzależnieniem od nikotyny. Dla Zhanga badania, które łączą geny de novo z ludzkim mózgiem, są fascynujące. „Wiemy, że to, co czyni nas ludźmi, to nasze mózgi” – mówi – „więc musi istnieć jakiś zestaw genetyczny, który popycha ewolucję naszego mózgu”. To sugeruje drogę dla przyszłych badań. Zhang sugeruje, że badacze mogliby zbadać zestaw genetyczny poprzez eksperymenty z ludzkimi organoidami – hodowanymi komórkami, które służą jako organ modelowy.

Geny de novo mogą mieć implikacje dla zrozumienia raka, zbyt. Jeden z takich genów – unikalny dla ludzi i szympansów – został powiązany z progresją nowotworu w mysich modelach neuroblastomy16. A rakotwórcze wersje wirusa brodawczaka ludzkiego zawierają gen, który nie jest obecny w formach nie wywołujących raka17.

Wiele genów de novo pozostaje niescharakteryzowanych, więc potencjalne znaczenie tego procesu dla zdrowia i choroby jest niejasne. „Minie trochę czasu zanim w pełni zrozumiemy, w jakim stopniu przyczynia się on do ludzkiego zdrowia i w jakim stopniu przyczynia się do powstania gatunku ludzkiego,” mówi Carvunis.

Ale chociaż geny de novo pozostają enigmatyczne, ich istnienie sprawia, że jedna rzecz jest jasna: ewolucja może łatwo stworzyć coś z niczego. „Jednym z uroków pracy z genami de novo,” mówi Casola, „jest to, że pokazuje jak dynamiczne są genomy.”

.