Gåtfulla gener kan förklara arters uppkomst

Under evolutionens gång bildas snabbt en slags barriär mellan olika arter. Det gör att arterna inte längre kan korsa sig med varandra. På så vis kan nya livsformer uppstå, som skiljer sig från varandra.

– Det kallas för reproduktiv isolering. Ibland är det också avkomman från två olika arter som blir infertil, som från en häst och åsna, säger Deniz Ozata, forskarassistent vid Institutionen för molekylär biovetenskap vid Wenner-Grens institut, Stockholms universitet.

Vaktar djurens arvsmassa

Exakt hur den här artbarriären uppstår har länge varit okänt för forskare. Men Deniz Ozata kan vara en förklaring på spåren.

Han har studerat en nyupptäckt grupp av RNA-molekyler som endast finns i djurceller, så kallade PIWI-interacting RNA (piRNA).

Generellt kan piRNA beskrivas som en väktare av djurs arvsmassa. De skyddar arvsmassan från så kallade transposoner. Det är rörliga genetiska element – ofta rester av gamla virus – som kan hoppa från en del av arvsmassan till en annan och orsaka skada. Men med hjälp av piRNA kan cellen försvara sig mot transposonerna.

Tillsammans med proteinet PIWI formar piRNA ett slags molekylär sax som klipper sönder dem.

– Att skydda cellen från transposoner är alltså den ursprungliga funktionen hos piRNA. Men hos däggdjur har man hittat en subgrupp av piRNA som har förlorat förmågan att tysta transposoner och som bildas i testiklarna.

Upptäckte en genetisk paradox

Det är den här andra gruppen av piRNA som Deniz Ozata riktar sin uppmärksamhet mot. Av någon anledning framställs de i enorma mängder när celler delar sig för att forma spermier. De existerar främst under en fas av celldelningen som kallas pachyten och kallas därför pachyten–piRNA.

I människans arvsmassa har man identifierad 90 distinkta gener för pachyten-piRNA. När Deniz Ozata kartlade dessa upptäckte han ett märkligt fenomen: de förändrades i en väldigt snabb takt.

– Vi jämförde arvsmassan från ungefär 2500 olika individer och generna för pachyten–piRNA skiljer sig helt galet mycket åt. De tillhör de minst bevarade generna i hela det mänskliga genomet, säger Deniz Ozata.

Livsviktiga gener som muterar snabbt

Det var en paradoxal upptäckt. För när Deniz Ozata och andra forskare slog ut vissa av dessa gener ledde det till att möss blev infertila. Spermierna började simma dåligt och fick flera defekter.

Så hur kan gener som är avgörande för vår fertilitet förändra sig så snabbt? Livsviktiga gener brukar annars vara väldigt välbevarade, eftersom mutationer lätt kan orsaka katastrofala skador.

– Det verkar finnas ett starkt evolutionärt tryck på dessa gener att förändras, säger Deniz Ozata.

Bygger barriären mellan arterna

Hans kvalificerade spekulation är att de snabba genetiska förändringarna på något vis bygger barriären mellan arterna. Men hur det går till är oklart och pachyten–piRNA har fler gåtfulla egenskaper. Till exempel tycks bara några få av de 90 generna vara avgörande för spermiernas livskraft.

De flesta generna verkar mest ha som funktion att forcera produktionen av piRNA under spermiebildningen.

– De är som själviska genetiska element. Det tycks bara finns där för att förstärka sin egen produktion, säger Deniz Ozata.

Behöver vissa gener tystas?

Den enorma produktionen av piRNA kostar energi för cellen och energislukande processer brukar inte tillkomma av någon slump under evolutionen. Men varför det krävs så stora mängder piRNA är i dagsläget ett mysterium.

Gener tystas

Deniz Ozata och hans kollegor har dock en huvudhypotes: att pachyten–piRNA formar en gensax tillsammans med PIWI-proteiner som tystar vissa gener i spermier.

För under utvecklingen av spermier är i princip alla gener aktiva och deras sekvenser avbildas i mRNA. Forskarna har sett att vissa pachyten-piRNA kan känna igen mRNA och se till att PIWI-proteiner klipper sönder dem.

– Tänkt dig att du har alla dessa mRNA, men att bara en del av dem definierar spermiens kompatibilitet med ägget. Då behöver andra mRNA tystas, säger Deniz Ozata.

Fler ledtrådar till gåtfulla molekyler

Hans tanke är att pachyten-piRNA ser till att finjustera förekomsten av mRNA-molekyler i spermien så att det bildas ett artspecifikt mönster. Det mönstret kan då på något vis bygga artbarriären.

För att se om hypotesen håller kartlägger hans forskargrupp just nu gener för pachyten-piRNA i två olika subarter av möss som är reproduktivt isolerade från vanliga labbmöss.

Genom att undersöka vilka pachyten–piRNA de bär på hoppas han få fler ledtrådar till hur de gåtfulla molekylerna fungerar.

Text: Ann Fernholm

Artikeln publicerades ursprungligen på Stockholms universitets webbplats.