În toiul iernii, temperaturile apei din Oceanul Arctic, acoperit de gheață, pot coborî sub zero. Este suficient de frig pentru a îngheța mulți pești, dar aceste condiții nu deranjează codul. O proteină din sângele și țesuturile sale se leagă de micile cristale de gheață și le oprește să crească.

De unde a căpătat codul acest talent a fost o enigmă pe care biologul evoluționist Helle Tessand Baalsrud a vrut să o rezolve. Ea și echipa sa de la Universitatea din Oslo au cercetat genomurile codului de Atlantic (Gadus morhua) și ale câtorva dintre cele mai apropiate rude ale sale, crezând că vor da de urma verilor genei antigel. Nu a apărut niciunul. Baalsrud, care la acea vreme era proaspăt părinte, s-a îngrijorat că lipsa ei de somn o făcea să rateze ceva evident.

Dar apoi a dat peste studii care sugerează că genele nu evoluează întotdeauna din cele existente, așa cum au presupus mult timp biologii. În schimb, unele sunt modelate din porțiuni dezolante ale genomului care nu codifică pentru nicio moleculă funcțională. Când s-a uitat din nou la genomurile peștilor, a văzut indicii că acesta ar putea fi cazul: proteina antigel – esențială pentru supraviețuirea codului – părea să fi fost construită de la zero1. În acel moment, un alt cercetător ajunsese la o concluzie similară.2

Codul este într-o companie bună. În ultimii cinci ani, cercetătorii au găsit numeroase semne ale acestor gene „de novo” nou apărute în fiecare linie genetică pe care au cercetat-o. Acestea includ organisme model, cum ar fi muște de fructe și șoareci, plante de cultură importante și oameni; unele dintre gene sunt exprimate în țesutul cerebral și testicular, altele în diverse tipuri de cancer.

Genele de novo determină chiar o regândire a unor porțiuni din teoria evoluționistă. Înțelepciunea convențională era că genele noi tind să apară atunci când cele existente sunt duplicate accidental, amestecate cu altele sau despărțite, dar unii cercetători cred acum că genele de novo ar putea fi destul de frecvente: unele studii sugerează că cel puțin o zecime din gene ar putea fi create în acest mod; alții estimează că ar putea apărea mai multe gene de novo decât din duplicarea genelor. Existența lor estompează granițele a ceea ce constituie o genă, dezvăluind că materialul de plecare pentru unele gene noi este ADN necodificator (vezi „Nașterea unei gene”).

Capacitatea organismelor de a dobândi noi gene în acest mod este o dovadă a „plasticității evoluției de a face ceva aparent imposibil, posibil”, spune Yong Zhang, genetician la Institutul de Zoologie al Academiei Chineze de Științe din Beijing, care a studiat rolul genelor de novo în creierul uman.

Dar cercetătorii nu au reușit încă să afle cum să identifice definitiv o genă ca fiind de novo, iar întrebările rămân în continuare cu privire la modul exact în care – și cât de des – acestea se nasc. Oamenii de știință se întreabă, de asemenea, de ce s-ar deranja evoluția să creeze gene de la zero când există deja atât de mult material genetic pregătit. Astfel de întrebări de bază sunt un semn al cât de tânăr este acest domeniu. „Nu trebuie să vă întoarceți cu atât de mulți ani în urmă înainte ca evoluția genetică de novo să fie respinsă”, spune Baalsrud.

Noi veniți

În anii 1970, geneticienii vedeau evoluția ca pe un proces mai degrabă conservator. Atunci când Susumu Ohno a expus ipoteza că majoritatea genelor au evoluat prin duplicare3, el a scris că „În sens strict, nimic în evoluție nu este creat de novo. Fiecare genă nouă trebuie să fi apărut dintr-o genă deja existentă.”

Duplicarea genelor are loc atunci când erori în procesul de replicare a ADN-ului produc mai multe instanțe ale unei gene. De-a lungul generațiilor, versiunile acumulează mutații și divergente, astfel încât, în cele din urmă, ele codifică molecule diferite, fiecare cu funcția sa proprie. Începând cu anii 1970, cercetătorii au descoperit o mulțime de alte exemple despre modul în care evoluția se joacă cu genele – genele existente pot fi fragmentate sau „transferate lateral” între specii. Toate aceste procese au ceva în comun: ingredientul lor principal este codul existent dintr-o mașină moleculară bine unsă.

Dar genomurile conțin mult mai mult decât gene: de fapt, doar câteva procente din genomul uman, de exemplu, codifică de fapt gene. Alături se află porțiuni substanțiale de ADN – adesea etichetate drept „junk DNA” – care par să nu aibă nicio funcție. Unele dintre aceste întinderi împărtășesc caracteristici cu genele care codifică proteine, fără a fi de fapt gene în sine: de exemplu, sunt presărate cu codoni de trei litere care ar putea, în teorie, să spună celulei să traducă codul într-o proteină.

Nu până în secolul XXI oamenii de știință au început să vadă indicii că secțiunile de ADN necodificatoare ar putea duce la noi coduri funcționale pentru proteine. Pe măsură ce secvențierea genetică a avansat până la punctul în care cercetătorii puteau compara genomuri întregi ale unor rude apropiate, au început să găsească dovezi că genele ar putea dispărea destul de repede în timpul evoluției. Acest lucru i-a făcut să se întrebe dacă nu cumva genele ar putea apărea la fel de repede.

În 2006 și 2007, geneticianul evoluționist David Begun de la Universitatea din California, Davis, a publicat ceea ce mulți consideră a fi primele lucrări care au adus argumente în favoarea apariției de novo a anumitor gene la muștele de fructe4,5. Studiile au legat aceste gene de reproducerea masculină: Begun a descoperit că acestea erau exprimate în testicule și în glanda lichidului seminal, unde se părea că puternica forță evolutivă a selecției sexuale conducea nașterea genei.

Cu puțin timp înainte, genomicianul evoluționist Mar Albà de la Institutul de Cercetare Medicală Hospital del Mar din Barcelona, Spania, a arătat că, cu cât o genă este mai tânără, din punct de vedere evolutiv, cu atât mai repede tinde să evolueze6. Ea a speculat că acest lucru s-ar putea datora faptului că moleculele codificate de genele mai tinere sunt mai puțin șlefuite și au nevoie de mai multe reglaje, și că acest lucru ar putea fi o consecință a faptului că genele au apărut de novo – ele nu erau legate de o funcție anterioară la fel de strâns ca cele care au evoluat din gene mai vechi. Atât Albà, cât și Begun își amintesc că a fost dificil să publice primele lor lucrări pe această temă. „A existat mult scepticism”, spune Albà. „Este uimitor cum s-au schimbat lucrurile.”

Studiile au început, de asemenea, să deslușească ceea ce fac genele de novo. O genă permite plantei thale cress (Arabidopsis thaliana) să producă amidon, de exemplu, iar o alta ajută celulele de drojdie să crească. Înțelegerea a ceea ce fac acestea pentru gazdele lor ar trebui să ajute la explicarea motivului pentru care există – de ce este avantajos să creezi de la zero, mai degrabă decât să evoluezi pornind de la materialul existent. „Nu vom înțelege de ce evoluează aceste gene dacă nu înțelegem ce fac ele”, spune Begun.

Gene în așteptare

Studiul genelor de novo se dovedește a fi în parte genetică, în parte experiment de gândire. „De ce este domeniul nostru atât de dificil?”, se întreabă Anne-Ruxandra Carvunis de la Universitatea din Pittsburgh, Pennsylvania. „Este din cauza unor probleme filosofice”. În centrul acesteia se află o întrebare pe care Carvunis și-o pune de un deceniu: ce este o genă?

O genă este definită în mod obișnuit ca o secvență de ADN sau ARN care codifică pentru o moleculă funcțională. Cu toate acestea, genomul drojdiei are sute de mii de secvențe, cunoscute sub numele de cadre deschise de citire (ORF), care teoretic ar putea fi traduse în proteine, dar despre care geneticienii au presupus că erau fie prea scurte, fie că arătau prea diferit de cele din organismele înrudite îndeaproape pentru a avea o funcție probabilă.

Când Carvunis a studiat ORF-urile de drojdie pentru doctoratul său, a început să suspecteze că nu toate aceste secțiuni zăceau în stare latentă. Într-un studiu7 publicat în 2012, ea a analizat dacă aceste ORF-uri erau transcrise în ARN și traduse în proteine – și, la fel ca și genele, multe dintre ele erau – deși nu era clar dacă proteinele erau utile pentru drojdie sau dacă erau traduse la niveluri suficient de ridicate pentru a îndeplini o funcție. „Așadar, ce este o genă? Nu știu”, spune Carvunis. Ceea ce crede ea că a găsit, totuși, este „materie primă – un rezervor – pentru evoluție”.

Câteva dintre aceste gene în așteptare, sau ceea ce Carvunis și colegii ei au numit protogene, erau mai asemănătoare cu genele decât altele, cu secvențe mai lungi și mai multe instrucțiuni necesare pentru a transforma ADN-ul în proteine. Proto-genele ar putea oferi un teren de testare fertil pentru ca evoluția să transforme materialul necodificator în gene adevărate. „Este ca o lansare beta”, sugerează Aoife McLysaght, care lucrează în domeniul evoluției moleculare la Trinity College Dublin.

Câțiva cercetători au mers dincolo de observație pentru a manipula organismele să exprime material necodificator. Michael Knopp și colegii săi de la Universitatea Uppsala, Suedia, au arătat că inserarea și exprimarea ORF-urilor generate aleatoriu în Escherichia coli ar putea spori rezistența bacteriei la antibiotice, o secvență producând o peptidă care a crescut rezistența de 48 de ori8. Folosind o abordare similară, Diethard Tautz și echipa sa de la Institutul Max Planck pentru Biologie Evolutivă din Plön, Germania, au arătat că jumătate dintre secvențe au încetinit creșterea bacteriei, iar un sfert au părut să o accelereze9 – deși acest rezultat este dezbătut. Astfel de studii sugerează că peptidele din secvențe aleatorii pot fi surprinzător de funcționale.

Dar secvențe aleatorii de ADN ar putea, de asemenea, să codifice peptide care sunt „reactive și urâte și au tendința de a se agrega și de a face lucruri rele”, spune biologul evoluționist Joanna Masel de la Universitatea din Arizona din Tucson. Exprimarea acestor secvențe la niveluri scăzute ar putea ajuta selecția naturală să elimine porțiunile potențial periculoase – cele care creează proteine dezordonate sau prost împăturite – astfel încât ceea ce rămâne într-o specie să fie relativ benign.

Crearea de gene din regiuni necodificatoare ar putea avea unele beneficii față de alte metode de creare a genelor, spune Albà. Duplicarea genelor este un „mecanism foarte conservator”, spune ea, producând proteine bine adaptate, tăiate din aceeași stofă ca și strămoșii lor; genele de novo, în schimb, sunt susceptibile de a produce molecule net diferite. Acest lucru le-ar putea îngreuna încadrarea în rețelele bine stabilite de gene și proteine – dar ar putea fi, de asemenea, mai potrivite pentru anumite sarcini noi.

O genă nou creată ar putea ajuta un organism să răspundă la o schimbare în mediul său, de exemplu. Acesta pare să fi fost cazul codului, care și-a dobândit proteina antiîngheț pe măsură ce emisfera nordică s-a răcit în urmă cu aproximativ 15 milioane de ani.

Rata de naștere

Pentru a depista care dintre genele unui organism au fost create de novo, cercetătorii au nevoie de secvențe complete pentru organismul respectiv și rudele sale apropiate. O plantă de cultură care se potrivește este orezul. Căldura sufocantă din Hainan, o insulă tropicală din sudul Chinei, este mediul perfect pentru cultivarea acestei culturi – deși condițiile de muncă pot fi solicitante. „Este oribil”, spune geneticianul evoluționist Manyuan Long de la Universitatea din Chicago, Illinois. Este atât de cald încât „îți poți găti oul în nisip”.

Echipa lui Long a vrut să afle câte gene au apărut de novo în tulpina Oryza sativa japonica și ce proteine ar putea produce aceste gene. Așa că echipa a aliniat genomul acesteia cu cel al rudelor sale apropiate și a folosit un algoritm pentru a alege regiunile care conțineau o genă la unele specii, dar care nu o aveau la altele. Acest lucru le-a permis cercetătorilor să identifice ADN-ul necodificator care a dus la gena în cauză și să urmărească drumul acesteia spre a deveni o genă. Ei au putut, de asemenea, să totalizeze numărul de gene de novo care au apărut în tulpină: 175 de gene pe parcursul a 3,4 milioane de ani de evoluție10 (în aceeași perioadă, tulpina a obținut de 8 ori mai multe gene prin duplicare).

Studiul ajunge la una dintre cele mai mari preocupări ale domeniului: cum să ne dăm seama dacă o genă este cu adevărat de novo. Răspunsurile variază foarte mult, iar abordările sunt încă în evoluție. De exemplu, un studiu timpuriu a găsit 15 gene de novo în întregul ordin al primatelor11; o încercare ulterioară a găsit 60 numai la om12. O opțiune pentru găsirea de gene de novo candidate este utilizarea unui algoritm pentru a căuta gene similare în specii înrudite. Dacă nu apare nimic, atunci este posibil ca gena să fi apărut de novo. Dar faptul că nu se găsește o rudă nu înseamnă că nu există nicio rudă: gena ar fi putut fi pierdută pe parcurs sau ar fi putut să se fi schimbat de formă departe de rudele sale. Studiul asupra orezului a ocolit acest aspect prin identificarea explicită a bucăților de ADN necodificator care au devenit gene de novo.

Pe scări evolutive lungi – mult mai lungi decât cele câteva milioane de ani de evoluție a orezului – este greu de distins între o genă de novo și una care pur și simplu a deviat prea mult de la strămoșii săi pentru a fi recunoscută, astfel încât determinarea numărului absolut de gene care au apărut de novo mai degrabă decât din duplicare „este o întrebare la care nu se poate răspunde aproape deloc”, spune Tautz.

Pentru a demonstra cât de variate pot fi rezultatele diferitelor metode, geneticianul evoluționist Claudio Casola de la Universitatea Texas A&M din College Station a folosit abordări alternative pentru a reanaliza rezultatele studiilor anterioare și nu a reușit să verifice 40% dintre genele de novo pe care le propuseseră13. Pentru Casola, acest lucru indică necesitatea de a standardiza testele. În prezent, spune el, „pare să fie foarte inconsecventă”.

Contorizarea genelor de novo în genomul uman vine cu același șir de avertismente. Dar acolo unde au fost identificate gene de novo, cercetătorii încep să exploreze rolurile lor în sănătate și boală. Zhang și colegii săi au descoperit că o genă unică la om este exprimată la un nivel mai mare în creierul persoanelor cu boala Alzheimer14, iar lucrările anterioare15 au legat anumite variante ale genei de dependența de nicotină. Pentru Zhang, cercetările care leagă genele de novo de creierul uman sunt tentante. „Știm că ceea ce ne face umani este creierul nostru”, spune el, „așa că trebuie să existe un kit genetic care să împingă evoluția creierului nostru”. Acest lucru sugerează o cale pentru studii viitoare. Zhang sugerează că cercetătorii ar putea investiga kitul genetic prin experimente cu organoizi umani – celule cultivate care servesc drept organ model.

Genele de novo ar putea avea implicații și pentru înțelegerea cancerului. O astfel de genă – unică la oameni și cimpanzei – a fost legată de progresia cancerului în modele de neuroblastom la șoareci16. Iar versiunile cancerigene ale virusului papiloma uman includ o genă care nu este prezentă în formele care nu cauzează cancer17.

Multe gene de novo rămân necaracterizate, astfel încât importanța potențială a procesului pentru sănătate și boală este neclară. „Va dura ceva timp până când vom înțelege pe deplin în ce măsură contribuie la sănătatea umană și în ce măsură contribuie la originea speciei umane”, spune Carvunis.

Deși genele de novo rămân enigmatice, existența lor face un lucru clar: evoluția poate face cu ușurință ceva din nimic. „Una dintre frumusețile lucrului cu genele de novo”, spune Casola, „este că arată cât de dinamice sunt genomurile.”

.