De ce sunt mamiferele atât de diferite între ele?

Este ușor să distingem un șoarece de o vacă. Cu toate acestea, pentru membrii aceleaşi specii de mamifere, de unde provin aceste diferențe? În anul 2011 oamenii de ştiinţă au descoperit că există diferenţe la nivel de blastocist (acesta se prezintă sub forma unei cavităţi centrale, a unui nucleu embrionar şi a unei coroane de celule periferice, el precedând dezvoltarea embrionului) între vacă și șoarece.

Familia mamiferelor. Credit: Shutterstock

Astfel, deşi mamiferele adulte sunt ușor de distins între ele, este remarcabil faptul că cercetătorii au putut să evidenţieze diferenţa dintre aceste specii într-o fază atât de incipientă de dezvoltare a lor. Aceste diferenţe timpurii s-au datorat, în cea mare parte, procesului de comutare a genelor.

Speciile de mamifere sunt destul de diferite ca aspect și mărime și ele pot fi întâlnite în toate ecosistemele Pământului, pe uscat (cum ar fi oamenii şi şoarecii), în mediul acvatic (delfinii și balenele) și chiar în mediul aerian (liliecii). Ca şi în cazul oamenilor, toate mamiferele au genoame mari, complexe – secvențele de ADN din celulele noastre. Acestea conțin instrucțiunile care sunt utilizate pentru a construi corpul și creierul. Cu toate acestea, unitățile funcționale cel mai bine înţelese din ADN, genele noastre, ocupă doar 2% din secvenţa genomului şi ele sunt extrem de similare în cazul mamifere non marsupiale. Şi atunci, de ce sunt mamiferele atât de diferite între ele?

Numeroase studii cum ar fi, de exemplu, cele ale geneticienilor Mary-Claire King şi Allan Wilson, au arătat că diferențele majore dintre speciile de mamifere nu se datorează genelor, ci mai ales modului în care acestea sunt activate sau dezactivate, proces cunoscut sub numele de comutarea genelor.

Acţiunea de comutare. Credit: Shutterstock

Înțelegerea procesului de comutare a genelor reprezintă o provocare pentru oamenii de ştiinţă. Secvențele de ADN care comută genele noastre, așa-numitele elemente de comutare, sunt dificil de identificat. Aceste secvențe sunt răspândite în cadrul genomului și, în general, ele sunt diferite de la un țesut celular la altul. Pentru a descifra comutarea genelor la mamifere, trebuie să le localizăm și să înțelegem modul prin care acestea se schimbă odată cu evoluția animalelor.

Evoluţia procesului de comutare a genelor

Odată cu progresul evolutiv și diferenţierea speciilor de mamifere, diferite gene sunt activate sau dezactivate. În concluzie, care caracteristici ale genomului rămân la fel și care dintre ele se modifică?

Noile instrumente experimentale și computaționale care sunt utilizate pentru studiul secvenţelor de ADN ne permit în prezent identificarea elementelor de comutare și acțiunea acestora cu o precizie fără precedent. Aceste instrumente ne-au permis să studiem comutarea genelor din cadrul genomului mamiferelor, așa cum s-a reuşit, de exemplu, în cazul oamenilor şi şoarecilor. Pentru genomul unor specii precum delfinii, șobolanii de subteran sau şobolanii cârtiţă (cei care sunt rezistenţi la cancer) cercetările trebuie să continue.

Într-un studiu recent publicat în Cell, am arătat că amploarea diferențelor privind modul de comutare „on/off” a genelor în rândul mamiferelor a fost uimitoare. Rar se întâmplă ca secvențele de ADN care activează sau dezactivează genele să prezinte caracteristici similare în rândul mamiferelor. Mult mai obişnuit este ca acest proces să se schimbe rapid pe măsură ce mamiferele evoluează. De exemplu, oamenii şi cimpanzeii sunt separaţi de 6 milioane de ani de evoluție, iar aceste diferențe au condus, probabil, la activarea sau dezactivarea anumitor gene.

De fapt, o bună parte dintre elementele de comutare pe care le-am identificat în fiecare genom al mamiferelor analizate au fost active într-un singur mamifer (din cele 20 analizate), ceea ce sugerează că aceste elemente de comutare pot fi asociate cu unele adaptări evolutive unice ce au avut loc recent la câteva specii.

Reutilizarea secvenţelor de ADN

În concluzie, din ce cauză apar atât de multe secvențe de comutare? Concluziile noastre sugerează faptul că, mai degrabă decât să se genereze secvenţe de ADN cu totul noi care activează sau dezactivează anumite gene, mamiferele dobândesc caracteristici specifice pe baza unor secvenţe de ADN existente care se regăsesc într-o oarecare măsură la toate mamiferele de astăzi și care, probabil, provin de la speciile ancestrale din care au evoluat fiecare, dar care se reactivează doar la anumite specii.

Acest proces se aseamănă cu procesul de diferenţiere evolutivă, în care variaţiile continue ale secvențelor ADN existente pot conduce la noi modele de comutare a genelor. Prevalența acestui mecanism, spre deosebire de generarea unor elemente de comutare din ADN-ul nou dobândit, ar putea explica, în parte, evoluția rapidă pe care o constatăm și poate că aceasta a fost esențială în ceea ce priveşte colonizarea eficientă de către mamifere a ecosistemelor Pământului. În esență, modificările continue în genomurile mamiferelor din cadrul populațiilor relativ mici a contribuit, probabil, la apariția de noi căi evolutive care le-au permis speciilor de mamifere să se diferenţieze.

Multe întrebări rămân încă deschise. Rezultatele noastre arată cât de rapid se poate schimba mecanismul de comutare a genelor din genomul mamiferelor, dar sunt necesare noi cercetări pentru a înțelege pe deplin importanța procesului prin care noi secvențe de ADN sunt adăugate în genom şi care modifică ulterior activitatea genelor. De asemenea, trebuie înţeles mai bine și modul prin care acestea cooperează între ele pentru a crea diversitatea speciilor, menținând în același timp funcțiile organelor pe care le-am găsit la vertebrate. Constatările noastre ar putea avea implicaţii profunde în ceea ce priveşte înţelegerea bolilor umane, în special a mecanismelor prin care în bolile cu o evoluție rapidă, cum ar fi cancerul, se modifică funcţionarea normală a genelor.

Traducere şi adaptare după We’re all mammals – so why do we look so different?