Hvað þýðir það að erfðavísar séu ónýtir og hafa þeir áhrif á svipfar?

Arnar Pálsson, 13/05/2015

Hvað þýðir það að erfðavísar séu ónýtir og hafa þeir áhrif á svipfar?
Gen (erfðavísar) eru mikilvægasti hluti erfðaefnisins. Erfðaefnið DNA eru tvíþátta þræðir sem mynda litningana. Við manneskjurnar fáum eitt sett af litningum frá móður og eitt sett frá föður. Því höfum við tvö heil eintök af flestum okkar genum – eitt frá hvoru foreldri. Það er kallað að vera tvílitna. Algengast er að dýr séu tvílitna en bakteríur eru flestar einlitna. Arnar Pálsson. „Hvað þýðir það að erfðavísar séu ónýtir og hvernig kemur slíkt fram í svipgerð fólks?“. Vísindavefurinn 4.5.2015. http://visindavefur.is/?id=69712.

Stökkbreytingar eru frávik í erfðaefninu. Þær geta myndað nýjar útgáfa af geni (oft auðkennt sem a) – miðað við upprunalegu (forfeðra) útgáfuna (auðkennt sem A). Á meðan a er fátíð í stofninum, finnst hún nær eingöngu í einstaklingum með Aa arfgerð. Ef a verður algengari aukast líkurnar á að aa einstaklingar verði til. Í lífverum finnst heilmikill erfðabreytileiki sem er upprunalega af völdum stökkbreytinga. Stökkbreytingar má flokka eftir mögulegum áhrifum á hæfni lífvera. Þær geta verið skaðlegar, hlutlausar eða jákvæðar. Jákvæðar breytingar eru hráefni fyrir náttúrulegt val en hlutlausar breytingar hafa engin áhrif. Skaðlegar breytingar draga hins vegar úr lífslíkum eða frjósemi, oftast vegna þess að þær eyðileggja gen eða raska virkni þeirra. Til að vita hvernig gen skemmast þurfum að við að skilja uppbyggingu þeirra. Gen eru samsett úr ólíkum hlutum, til dæmis stjórnröðum og táknröðum. Þær síðast töldu skrá fyrir hlutum prótíns sem genið er forskrift að. Punktbreytingar leiða til skipta á stökum bösum (DNA er samsett úr A, C, G og T bösum). Punktbreyting á basa í mikilvægum hluta gens, getur eyðilagt það. Einnig eru þekktar úrfellingar og innskot á bösum eða jafnvel brot og tilflutningur á litningabútum (litningabreytingar). Ef breyting fellir út hluta gens eða leiðir til skipta á mikilvægri amínósýru, getur það haft alvarleg áhrif og jafnvel óvirkjað prótín-afurð gensins. Segja má að slík gen séu ónýt. Aðrar stökkbreytingar eru vægari. Gen geta því skemmst á ótal vegu, og mismikið.

Það veltur á erfðafræðilegum og þróunarfræðilegum lögmálum hvaða áhrif ónýt gen hafa á svipfar (svipfar eða svipgerð er safn allra einkenna einstaklings). Maðurinn hefur um 20.000 gen sem hvert um sig gegna ólíkum hlutverkum. Sum gen eru nauðsynleg í öllum frumum líkamans, á meðan önnur eru sérhæfðari (til dæmis bara notuð í húð eða munnvatnskirtlum). Erfðabreytileiki í einu geni hefur ekki sömu áhrif og erfðabreytileiki í öðru geni. Lífvera kann að lifa af án gens sem framleiðir munnvatnsensím, en ekki án gens nauðsynlegt öllum frumum líkamans. Við erum öll með margar skaðlegar breytingar, á arfblendnu ástandi. Ef við fengum til dæmis ónýtt eintak af geni X frá pabba, en heilt eintak frá mömmu, þá erum við arfblendin (Xx). Sú staðreynd að við erum tvílitna veitir okkur vernd fyrir ónýtum genum. Þetta er kallað erfðabyrðin (e. genetic load) sem við berum öll. Erfðabyrðin veldur því að í hverri kynslóð geta runnið saman kynfrumur með skaðlegar breytingar í sama geni. Ef genið er mjög mikilvægt og stökkbreytingin skaðleg, aukast líkur á fósturláti. Í öðrum tilfellum þroskast viðkomandi að því er virðist eðlilega þrátt fyrir að vera arfhreinn um gallað gen, en þjáist ef til vill af sjúkdómi síðar á lífsleiðinni. Í enn öðrum tilfellum hefur það engin áhrif ef einstaklingurinn er arfhreinn um ónýtt gen.

Rannsóknir á bakteríum, gersveppum og flugum hafa sýnt að ekki eru öll gen lífsnauðsynleg. Gersveppur getur til dæmis lifað ágætu lífi í rækt, þegar hann er arfhreinn um úrfellingu á heilu geni. Reyndar eru innan við 10% af genum sveppsins lífsnauðsynleg. Nýleg rannsókn Íslenskrar erfðagreiningar sýndi að um 8% Íslendinga eru arfhreinir um sködduð eða „ónýt” gen. Genin sem um ræðir eru um 6% af erfðamengi okkar, um 1200 gen í allt. Algengast er að finna galla í lyktaviðtakagenum, sem er reyndar einnig algengt meðal ættingja okkar í aparíkinu.

Hér virðist felast mótsögn. Hví hefur maðurinn (eða sveppurinn) ákveðið gen ef hann getur lifað án þess?
Erfðafræðin og þróunarfræðin hefur nokkrar útskýringar á svona fyrirbærum. Í fyrsta lagi er sýnd (e. penetrance) gena og erfðabreytileika misjöfn. Tveir einstaklingar með sömu erfðasamsetningu (til dæmis arfhreinir um skaddað gen aa), fá ekki endilega sömu svipgerð. Í öðru lagi er tjáning (e. expressivity) arfgerða ekki alltaf sú sama. Tveir einstaklingar með sömu erfðasamsetningu fá ekki alltaf jafnsterk einkenni. Þriðja útskýringin er sú að sum gen eru skyld, og geta hjálpast að. Ef eitt gen er gallað, getur nærskylt gen stundum leyst hlutverk þess nægilega vel. Í fjórða lagi getur verið að viðkomandi gen séu ekki mikilvæg við allar aðstæður, til dæmis bara í hörðu ári eða þegar ákveðið sníkjudýr eða pest herjar. Að endingu má segja að lögmál erfða og þróunar, og samspil tilviljana, erfða og umhverfis geti útskýrt af hverju sumir geta lifað ágætu lífi með ónýt gen.
Samantekt:

Ónýt gen eru vegna stökkbreytinga sem eyðileggja mikilvæga hluta gena.
Slíkar stökkbreytingar geta á arfhreinu formi valdið dauða eða sjúkdómum.
Stundum lifir fólk góðu lífi þrátt fyrir að vera arfhreint um gölluð gen.
Ástæður þess eru margar, til dæmis bygging gena, skyldleiki gena, ólíkt mikilvægi gena og heppni.
Sú staðreynd að við erum tvílitna veitir okkur vernd fyrir ónýtum genum.

Heimildir og mynd:

Guðmundur Eggertsson.Hver er munurinn á erfðagalla og erfðasjúkdómi? Vísindavefurinn, 20.11.2002.
Guðmundur Eggertsson. Af hverju verða stökkbreytingar? Vísindavefurinn, 13.8.2003.
Winzeler EA, Shoemaker DD og 50 aðrir. Functional characterization of the S. cerevisiae genome by gene deletion and parallel analysis. Science. 1999 Aug 6;285(5429):901-6.
Patrick Sulem, Hannes Helgason, og 17 aðrir. Identification of a large set of rare complete human knockouts. Nature Genetics, 2015 doi:10.1038/ng.3243

The developmental transcriptome of contrasting Arctic charr (Salvelinus alpinus) morphs – sent to F1000research

Arnar Pálsson, 17/04/2015

Lets hope we are lucky third time around. Now we send this little baby to F1000research, a link will follow.
The developmental transcriptome of contrasting Arctic charr (Salvelinus alpinus) morphs
Johannes Gudbrandsson, Ehsan P. Ahi, Sigridur R. Franzdottir, Kalina. H. Kapralova, Bjarni K. Kristjansson#, S. Sophie Steinhaeuser, Isak M. Johannesson, Valerie H. Maier, Sigurdur S. Snorrason, Zophonias O. Jonsson, and Arnar Palsson*
Institute of Life and Environmental Sciences, University of Iceland, 101 Reykjavik, Iceland
#Holar University College, 551 Saudarkrokur, Iceland
*Corresponding author.
doi: http://dx.doi.org/10.1101/011361
Species showing repeated evolution of similar traits can help illuminate the molecular and developmental basis of diverging traits and specific adaptations. Following the last glacial period, dwarfism and specialized bottom feeding morphology evolved rapidly in several landlocked Arctic charr (Salvelinus alpinus) populations in Iceland. To initiate study of the genetic divergence between small benthic morphs and larger morphs with limnetic morphotype, we conducted an RNA-seq transcriptome analysis of developing charr. We sequenced mRNA from whole embryos at four stages in early development of two stocks with contrasting morphologies, the small benthic (SB) charr from Lake Thingvallavatn and Holar aquaculture (AC) charr.
The data reveal significant differences in expression of several biological pathways during charr development. There was also an expression difference between SB and AC-charr in genes involved in energy metabolism and blood coagulation genes. We confirmed expression difference of five genes in whole embryos with qPCR, including lysozyme and natterin like which was previously identified as a fish-toxin of a lectin family that may be a putative immunopeptide. We also verified differential expression of 7 genes in developing heads, that associated consistently with benthic v.s. limnetic craniofacial morphology (studied in 4 morphs total). Comparison of Single nucleotide polymorphism (SNP) frequencies reveals extensive genetic differentiation between the SB- and AC-charr (60 fixed SNPs and around 1300 differing by more than 50% in frequency). In SB-charr the high frequency derived SNPs are in genes related to translation and oxidative processes. Curiously, three derived alleles in the otherwise conserved 12s and 16s mitochondrial ribosomal RNA genes are found in benthic charr. The data implicate multiple genes and molecular pathways in divergence of small benthic charr and/or the response of aquaculture charr to domestication. Functional, genetic and population genetic studies on more freshwater and anadromous populations are needed to confirm the specific loci and mutations relating to specific ecological traits in Arctic charr.

Vísindavefur: Hvað eru HeLa-frumur?

Arnar Pálsson, 26/03/2015

Hvað eru HeLa-frumur?

Arnar Pálsson. „Hvað eru HeLa-frumur?“. Vísindavefurinn 9.3.2015. http://visindavefur.is/?id=69338.

Árið 1951 innritaðist rúmlega þrítug kona, Henrietta Lacks (1920–1951), á John Hopkins-spítalann í Baltimore sem á þessum tíma var einn fárra spítala sem meðhöndluðu blökkufólk. Ástæða spítalavistarinnar var hnútur í kviðarholi sem læknar greindu síðan sem krabbamein á leginu. Því miður dugði meðferð ekki til að bjarga lífi hennar en hún lést október þetta sama ár. Seinna kom í ljós að orsökin var HPV-sýking sem er ein algengasta orsök leghálskrabbameins.

Á meðan á meðferð Henríettu stóð voru frumur fjarlægðar úr æxlinu og setti vísindamaðurinn George Gey (1899-1970) þær í rækt, að Henríettu forspurðri. Á þeim tíma var vefjarækt ung fræðigrein. Frumur úr fólki og dýrum entust yfirleitt takmarkaðan tíma í rækt. Venjulegar líkamsfrumur geta bara skipt sér í nokkra daga eða vikur í ræktunarskál áður en þær sýna hrörnunarmerki og fara að deyja. Georg og félagar tóku hins vegar eftir því að æxlisfrumur Henríettu gátu skipt sér oftar, miklu oftar en aðrar frumur. Þær uxu hraðar og betur en allar aðrar frumur og áttu eftir að öðlast annað líf. Ástæðan fyrir því að þær entust lengur en aðrar frumur og virtust ekki hrörna er sú að æxlisfrumur brjóta reglur fjölfruma dýra þar sem þroskun og vöxtur er undir strangri stjórn (annars fara hlutföll vefja og líkamshluta úr böndum og fleira með).

Frumurnar hennar Henríettu Lacks hlutu nafnið HeLa-frumur. Þær hafa nú lifað í rúm 60 ár á tilraunastofu, sem er helmingi lengur en formóðir þeirra. Talað er um HeLa-frumulínur því þær eru allar komnar frá upprunalega sýninu úr krabbameini Henríettu Lacks. Þar sem hægt er að fjölga HeLa-frumum takmarkalaust má kalla þær ódauðlegar. Rót ódauðleikans er ensímflóki sem kallast telómerasi, sem verndar endalitninga. Ensímflókinn starfar ekki í líkamsfrumum en er ofvirkur í mörgum krabbameinsfrumum eins og HeLa.

Í vísindum skiptir miklu máli að gera tilraunir við staðalaðstæður. Frumulíffræðin fæddist um miðbik síðustu aldar og þarfnaðist vinnuhests sem reyndist vel á mismunandi tilraunastofum. HeLa-frumur urðu sá vinnuhestur. Frá 1951 hafa þær verið notaðar í meira en 67 þúsund rannsóknagreinar og liggja að baki um 11.000 einkaleyfa. Þær reyndust sérstaklega notadrjúgar fyrir rannsóknir á veirum. Jonas Salk (1914-1995) notaði til dæmis HeLa frumur til að þróa bóluefni gegn lömunarveiki. HeLa frumur hafa einnig reynst vel við rannsóknir á eitruðum efnum, krabbameinum, innviðum frumunnar og erfðasjúkdómum. Fjölmargar aðrar frumulínur eru nú í notkun, margar hverjar ættaðar úr æxlisvef sjúklinga. Frumurækt er flókinn búskapur og því selja einkafyrirtæki vottaðar frumur (HeLa og aðrar frumur) til að mæta þörf fyrir hreinleika og rekjanleika.

Nú er almennt viðurkennt að spyrja þurfi fólk hvort það vilji taka þátt í rannsóknum eða leyfi notkun á lífsýnum. Upplýst samþykki felur í sér að fólki er kynnt markmið rannsókna, væntanlegur ávinningur og mögulegar aðrar afleiðingar. Annað áður var og George Gey og aðrir veltu siðferðilegri hlið mála lítið fyrir sér þegar frumur Henríettu og annarra voru fyrst ræktaðar. Eins og áður kom fram var Henrietta ekki spurð og hvorki hún, eiginmaður hennar né börnin þeirra fimm vissu að frumur hefðu verið ræktaðar úr æxlinu og síðar orðið mikilvægar fyrir rannsóknir. Þótt Henrietta eða aðrir úr Lacks fjölskyldunni hafi ekki gefið leyfi fyrir notkun frumanna, úrskurðaði dómari í Kaliforníu að fyrirtækjum væri heimilt að selja HeLa-frumur. Röksemdin var sú að leifar sem falla til á spítölum væru ekki eign sjúklinga og mætti því hagnýta þær.

Lengi vel var lítill gaumur gefinn að sögu HeLa-frumna en undir lok síðustu aldar var farið að skoða uppruna þeirra. Árið 1996 var framlag Henríettu heiðrað af Morehouse-læknaskólanum í Atlanta, af yfirvöldum í Atlanta og Georgíufylki. Seinna hafa aðrir fylgt í kjölfarið og heiðrað framlag hennar. Árið 2010 kom út bók um Henríettu og frumurnar eftir Rebecca L. Skloot, Hið ódauðlega líf Henríettu Lacks (The Immortal Life of Henrietta Lacks). Þar er sagt frá því hversu fjölskyldan vissi lítið um frumurnar og eðli þeirra, og hversu sjaldan vísindamennirnir ræddu við fjölskylduna. Í bókinni spyr Deborah elsta dóttirin til að mynda „fyrst frumur móður okkar hafa gert svo mikið fyrir læknisfræðina, hví hafa börn hennar ekki efni á læknisþjónustu?“

Fyrir tveimur árum raðgreindu vísindamenn við EMBL-rannsóknarstofnunina í Heidelberg í Þýskalandi erfðamengi HeLa-frumnanna. Markmiðið var að birta gögnin opinberlega. Ætla mætti að þeir hefðu lært af mistökum fortíðar, en þeir ráðfærðu sig ekki við Lacks-fjölskylduna eins og eðlilegt hefði verið í þessu tilfelli. Erfðaupplýsingar eru nefnilega einkaupplýsingar sem njóta friðhelgis. Í kjölfar opinberrar gagnrýni var mynduð sex manna nefnd, með tveimur fulltrúum fjölskyldunnar, sem á að fjalla um siðferðileg álitamál tengd hagnýtingu erfðaupplýsinga HeLa-frumnanna. Málið snýst nefnilega ekki bara um friðhelgi Henríettu Lacks sem lést fyrir meira en 60 árum heldur einnig um afkomendur þar sem í erfðamengi foreldris eru miklar upplýsingar um erfðamengi afkvæmis.

Samantekt

Henrietta Lacks lést úr leghálskrabbamein 31 árs gömul.
Úr æxli hennar ræktuðust frumur, nefndar HeLa, sem kalla má ódauðlegar.
HeLa-frumur hafa verið nýttar í fjölmargar og merkilegar rannsóknir.
Henrietta Lacks var ekki spurð að því hvort nýta mætti lífsýni hennar.
Rétt er að fá upplýst samþykki áður en lífsýni eru nýtt til rannsókna.

Submitted to Plos One: The developmental transcriptome of contrasting Arctic charr (Salvelinus alpinus) morphs

Arnar Pálsson, 24/02/2015

We just sent this manuscript to PLoS One, after G3 decided they did not like it. (Main sticking point is that they wanted de novo assembly – but we argued it was not a good idea with the 36bp non paired end reads) At any rate, I like PLoS One, and would like to publish one paper there a year…

Abstract
Species showing repeated evolution of similar traits can help illuminate the molecular and developmental basis of diverging traits and specific adaptations. Following the last glacial period, dwarfism and specialized bottom feeding morphology evolved rapidly in several landlocked Arctic charr (Salvelinus alpinus) populations in Iceland. To initiate study of the genetic divergence between small benthic morphs and larger morphs with limnetic morphotype, we conducted an RNA-seq transcriptome analysis of developing charr. We sequenced mRNA from whole embryos at four stages in early development of two stocks with contrasting morphologies, the small benthic (SB) charr from Lake Thingvallavatn and Holar aquaculture (AC) charr. The data reveal significant differences in expression of several biological pathways during charr development. There was also an expression difference between SB- and AC-charr in genes involved in energy metabolism and blood coagulation genes. We confirmed expression difference of five genes in whole embryos with qPCR, including lysozyme and natterin like which was previously identified as a fish-toxin of a lectin family that may be a putative immunopeptide. We also verified differential expression of 7 genes in developing heads, that associated consistently with benthic v.s. limnetic craniofacial morphology (studied in 4 morphs total). Comparison of Single nucleotide polymorphism (SNP) frequencies reveals extensive genetic differentiation between the SB- and AC-charr (60 fixed SNPs and around 1300 differing by more than 50% in frequency). In SB-charr the high frequency derived SNPs are in genes related to translation and oxidative processes. Curiously, three derived alleles in the otherwise conserved 12s and 16s mitochondrial ribosomal RNA genes are found in benthic charr. The data implicate multiple genes and molecular pathways in divergence of small benthic charr and/or the response of aquaculture charr to domestication. Functional, genetic and population genetic studies on more freshwater and anadromous populations are needed to confirm the specific loci and mutations relating to specific ecological or domestication traits in Arctic charr.

The developmental transcriptome of contrasting Arctic charr (Salvelinus alpinus) morphs
Jóhannes Gudbrandsson , Ehsan P Ahi , Sigridur R Franzdottir , Kalina H Kapralova , Bjarni K Kristjánsson , Sophie S Steinhaeuser , Ísak M Jóhannesson , Valerie H Maier , Sigurdur S Snorrason , Zophonías O Jónsson , Arnar Pálsson
doi: http://dx.doi.org/10.1101/011361

Ég heiti Hekla, ef ég set DNA úr mér í plöntu verður þá plantan Hekluplanta?

Arnar Pálsson, 24/02/2015

Ég heiti Hekla, ef ég set DNA úr mér í plöntu verður þá plantan Hekluplanta?
Afkvæmi líkjast foreldrum sínum því þau fá erfðaefni (DNA) frá þeim. Þetta á við um öll afkvæmi, hvort sem þau eru börn, dýr, plöntur eða aðrar lífverur enda er DNA erfðaefni allra lífvera á jörðinni. Í náttúrunni getur DNA flust á milli einstaklinga, en það er frekar sjaldgæft. Dæmi eru um að DNA og gen flytjist á milli ólíkra tegunda baktería, og nokkur dæmi eru um flutning inn í dýr eða plöntur.

Með erfðatækni geta menn flutt gen á milli ólíkra tegunda, til dæmis úr krossfiski inn í bakteríu eða úr manneskju inn í plöntu. Þetta er aðallega gert í rannsóknarskyni, til dæmis til að reyna að skilja starfsemi gena og líffræði sjúkdóma. Einnig eru gen flutt inn í gerla og plöntur til að gefa þeim nýja eiginleika, eða nýta þær sem verksmiðjur. Slík gen geta því til dæmis gefið plöntum nýja eiginleika, til að mynda gert hana ónæmari fyrir sjúkdómum, en þau breyta ekki plöntunni sem slíkri.

Ef Hekla kemur DNA-bút af sér í brennisóley verður plantan ekki svo auðveldlega að Heklusóley.

Lítum betur á spurninguna, og segjum að DNA-bútur úr Heklu hafi verið settu í brennisóley (Ranunculus acris).

Þótt DNA úr Heklu sé flutt í brennisóley með erfðatækni, mun ekki verða til Heklusóley. Gen brennisóleyjarinnar verða ennþá óskert ef tilraunin er rétt gerð. Einn DNA bútur úr stúlku eða annarri manneskju dugar ekki til að gefa plöntunni mannlegt yfirbragð. Manneskjur hafa um 25.000 ólík gen, sem nær öll eru nauðsynleg til að við þroskumst úr egginu og lifum. Erfðamengi brennisóleyjar hefur ekki verið raðgreint, en margar plöntur (til dæmis maís) eru með fleiri en 30.000 gen. Nær öll þeirra eru nauðsynleg fyrir þroska og líf plöntunnar.

Genin ein og sér eru ekki næg, heldur þurfa þau að vera í réttu umhverfi. Mannagenin þurfa að vera í kjarna í mannafrumu, til dæmis eins og eggi, til að virka eðlilega. Kjarni úr mannafrumu mun ekki virka í frumu úr brennisóley. Á sama hátt mun sóleyjarkjarni ekki virka í mannafrumu.

Hvað mundi gerast ef blandað væri saman erfðamengi manns og plöntu og sett inn í mannafrumu? Akkúrat, það mun ekki virka. Slíkir blendingar eru ólífvænlegir. Því er ómögulegt að búa til skrímsli ævintýranna, hvort sem það er vængjaði hesturinn Pegasus eða furðuplantan Triffid, með svona tilraunum. Ástæðan er sú að 25.000 gen mannsins eru vön að vinna saman – þau hafa starfað saman í öllum mönnum frá því að við hættum að vera apar. Líta má á samstarf gena tegundar eins og tannhjól í stórri klukku. Ef fjöldi gena er tekinn út eða mörgum genum úr annarri tegund bætt við, þá passa tannhjólin ekki saman og allt fer í steik.

En sum gen úr manneskju geta virkað eðlilega í plöntufrumu. Orf-líftækni notar til dæmis erfðatækni til að framleiða mennska vaxtarþætti í byggfræi (vaxtarþættir eru prótín sem stjórna frumuskiptingum og frumusérhæfingu). Þá er eitt gen úr manni, sett inn í byggið og þannig fyrir komið að vaxtarþátturinn er framleiddur í fræinu. Síðan er hægt að einangra vaxtarþáttinn úr fræinu, og nota til dæmis við tilraunir eða í snyrtivörur.

Líta má á samstarf gena tegundar eins og tannhjól í stórri klukku. Ef fjöldi gena er tekinn út eða mörgum genum úr annarri tegund bætt við, þá passa tannhjólin ekki saman og allt fer í steik. Þess vegna munu furðuverur á borð við Triffids-plöntur áfram tilheyra ævintýraheiminum. Myndin er úr sjónvarsþætti frá 2009.

Það getur þess vegna skipt máli hvaða gen er flutt inn í brennisóleyna. Einhver gen gætu virkað venjulega í plöntunni og gefið henni örlítinn mennskan blæ. En hún verður aldrei alvöru Heklusóley.

Samantekt:

Ef DNA úr stúlkunni Heklu er flutt með erfðatækni í brennisóley, mun ekki verða til Heklusóley.
Blendingar brennisóleyjar og manna eru ekki lífvænlegir, því gen hverrar tegundar eru vön að vinna saman.
Einhver gen gætu virkað venjulega í plöntunni, og gefið henni örlítinn mennskan blæ.

Arnar Pálsson. „Ég heiti Hekla, ef ég set DNA úr mér í plöntu verður þá plantan Hekluplanta?“. Vísindavefurinn 20.2.2015. http://visindavefur.is/?id=68497.

Í hvaða landi eða landsvæði eru rauðhærðir algengastir?

Arnar Pálsson, 24/02/2015

Í hvaða landi eða landsvæði eru rauðhærðir algengastir? Hvar er Ísland í röðinni hvað varðar hlutfall rauðhærðra? Er hægt að sjá með DNA-rannsókn hvaðan rauðhærðir Íslendingar koma?

Rautt hár er algengast meðal Vesturlandabúa, en nær óþekkt hjá upprunalegum ættbálkum Afríku, Ameríku og Ástralíu. Rautt hár finnst að auki í nokkrum asískum ættbálkum. Í Vestur-Evrópu er það algengast á Bretlandseyjum. Tíðnin er hæst á Írlandi og í Skotlandi (frá 10-30% eftir svæðum), en sýnu lægri í Wales og svo Englandi. Rautt hár er ansi algengt í Suðvestur-Noregi (um 10%), en tíðni þess er lægri annars staðar í Skandinavíu og Danmörku. Svipaða sögu er að segja af meginlandi Vestur-Evrópu, tíðnin lækkar með fjarlægð frá Bretlandseyjum. Um 8% íslenskra kvenna og 6% íslenskra karlmanna eru rauðhærð.

Rautt hár er arfgengt. Ef einstaklingur er arfhreinn um stökkbreytingu/ar á geninu MC1R (e. melanocortin-1 receptor) þá verður hár hans rautt (sjá nánar í svari Þuríðar Þorbjarnardóttur við spurningunni Eru litningar í rauðhærðum eitthvað gallaðir?) Gen eru strengur – oft þúsund eða fleiri þúsund basa langur. Basarnir eru fjórir, oftast táknaðir með bókstöfum (A, C, G og T) og verða þeir að vera í réttri röð til að afurð gensins myndist og starfi eðlilega. Stökkbreytingar valda oft víxlum á tilteknum bösum, til dæmis verður basi A á stað 241 í strengnum að basa G. Það getur leitt til þess að afurð gensins skaddist eða eyðileggst alveg. Rétt eins og mataruppskriftir geta farið aflaga á marga vegu, geta gen skemmst á ólíkan hátt.

Því eru margar ólíkar stökkbreytingar í MC1R geninu. Sumar eru alvarlegar en aðrar mildari. Það fer eftir því hvaða tvær MC1R stökkbreytingar einstaklingur er með, hvers konar rauðan lit hárið fær. Rautt hár er nefnilega ansi fjölskrúðugt, til dæmis brúnt með roðaglans, rauðbirkið eða ljósgyllt. Einnig gæti skipt máli hvaða aðra erfðaþætti viðkomandi er með, auk gallana í MC1R, en ekki verður farið út í þá sálma hér.

Rautt hár tengist stökkbreytingu á geninu MC1R. Þessi brosmildu tvíburasystkini hafa fengið stökkbreytt gen frá báðum foreldrum þar sem rautt hár er víkjandi eiginleiki.

Spurt var hvort að hægt væri að sjá með DNA-rannsókn hvaðan rauðhærðir Íslendingar koma? Hugsum fyrst bara um MC1R-genið. Þar sem rautt hár getur orsakast af ólíkum stökkbreytingum og vegna þess að tíðni þeirra er ólík milli landa og jafnvel landsvæða, er möguleiki að meta uppruna rauðhærðra Íslendinga. Ef ákveðin stökkbreyting í MC1R væri algengust á Bretlandseyjum en önnur stökkbreyting væri algengust í Noregi, þá væri hægt að greina hvaðan rautt hár tiltekins Íslendings sé ættað. Ef við gefum okkur að þetta séu einu tvær breytingarnar í MC1R hérlendis og báðar jafn algengar er dæmið einfalt. Þá væri líklega helmingur rauðhærðra með eitt eintak af hvorri stökkbreytingu, og því með norskt/breskt rautt hár. Hvor fjórðungur hinna rauðhærðu væru með annað hvort með norskt eða skoskt/írsk rautt hár.

En MC1R er bara hluti svarsins. Í erfðamengi mannsins eru um 25.000 gen og hefur hvert þeirra sína sögu. Þar að auki eru genin innan við 2% af erfðamengi mannsins. Þegar spurt er um uppruna Íslendinga (rauðhærðra eða annarra) þarf að taka eins konar „meðalsögu“ allra genanna og erfðamengisins. Það má jafnvel ímynda sér ýkt dæmi. Íslensk kona kann að vera arfhrein um stökkbreytingu í MC1R (og því rautt hár) sem er komin frá Noregi, en stærsti hluti erfðamengis hennar er samt ættaður frá Bretlandseyjum.

Að síðustu má geta þess að MC1R er ekki einhamt, frekar en önnur gen. Gallar í MC1R auka einnig líkurnar á freknum, og húð arfbera er yfirleit mjög ljós og viðkvæmari fyrir sólbruna. Samfara eru auknar líkur á sortuæxlum og öðrum húðkrabbameinum. Reyndar eru líkurnar á húðkrabbameinum tengdar því hversu mikla sól fólk fær. Stökkbreytingar í MC1R tengjast ekki húðkrabbameinum hérlendis en í sólríkari löndum eins og Hollandi og Spáni eru tengslin ansi sterk.

Þvert á staðalímyndir valda breytingar í MC1R ekki grænum augnlit. Breytingar á OCA2-, SLC24A4- og TYR-genunum eru taldar mikilvægastar fyrir græn augu.

Í stuttu máli eru rauðhærðir menn algengastir á Bretlandseyjum og á vissum svæðum á Norðurlöndum.
Rautt hár prýðir 6-8% Íslendinga.
Tíðni stökkbreytinga sem auka líkur á rauðu hári er ólík milli landsvæða.
Mögulega er hægt að meta uppruna erfðaþátta sem tengist rauðu hári einstaklinga, en það væri bara lítill hluti af erfðamenginu og ónákvæmt mat á erfðafræðilegum uppruna viðkomandi.

Ítarefni:

Sulem P, Gudbjartsson DF, Stacey SN, Helgason A, Rafnar T, Magnusson KP, Manolescu A, Karason A, Palsson A, Thorleifsson G, Jakobsdottir M, Steinberg S, Pálsson S, Jonasson F, Sigurgeirsson B, Thorisdottir K, Ragnarsson R, Benediktsdottir KR, Aben KK, Kiemeney LA, Olafsson JH, Gulcher J, Kong A, Thorsteinsdottir U, Stefansson K. 2007. Genetic determinants of hair, eye and skin pigmentation in Europeans. Nature Genetics, 39(12):1443-52.
Jonathan Rees 2/4/03. The roots of red hair | The Human Genome. (Skoðað 13. 1. 2015).
Gerstenblith MR, Goldstein A, Fargnoli MC, Peris K, Landi MT. 2007. Comprehensive evaluation of allele frequency differences of MC1R variants across populations. Human Mutation 28: 495-505.

Arnar Pálsson. „Hvar eru rauðhærðir algengastir?“. Vísindavefurinn 5.2.2015. http://visindavefur.is/?id=68878.

(Icelandic) Tilviljun og tilgangur í lífi og eilífð: Um Tilviljun og nauðsyn eftir Jacques Monod

Arnar Pálsson, 29/01/2015

Sorry, this entry is only available in Icelandic.

Grein um Agnar Ingólfsson, fyrsta formann Líffræðifélagsins

Arnar Pálsson, 26/01/2015

Sorry, this entry is only available in Icelandic.

Academic advisor for Dr. Sara Sigurbjornsdottir

Arnar Pálsson, 04/01/2015

I had the great fortune of serving as the academic advisor of Sara Sigurbjornsdottir, who defended her Ph.D thesis Monday the 5th of January. The thesis is titled: Complex cell shape: Molecular mechanisms of tracheal terminal cell development in Drosophila melanogaster.

Sara worked on development of terminal cells in the tracheal system of the fruitfly, focusing on characterizing gene function and pathways that affect both formation and maturation of the cells.

She worked at the European Molecular Biology Laboratory (EMBL) in Heidelberg, Germany in the laboratory of dr. Maria Leptin, EMBO Director. The doctoral committee also includes our gentle selves, and two great molecular biologists dr. Marko Kaksonen, and dr. Stefano De Renzis, both group leaders at the European Molecular Biology Laboratory, Heidelberg, Germany.

Official opponents were dr. Stefan Luschnig, Senior Research Associate, Institute of Molecular Life Sciences, University of Zurich, Switzerland and dr.
Thorarinn Gudjonsson, Professor at the Faculty of Medicine, School of Health Sciences
, University of Iceland.

See abstract of her talk and further details.

Her published paper on Molecular mechanisms of de novo lumen formation.

The developmental transcriptome of contrasting Arctic charr (Salvelinus alpinus) morphs

Arnar Pálsson, 13/11/2014

We just submitted a paper to G3, and deposited the manuscript on BioRxiv.

The developmental transcriptome of contrasting Arctic charr (Salvelinus alpinus) morphs
Jóhannes Gudbrandsson, Ehsan P Ahi, Kalina H Kapralova, Sigrídur R Franzdottir, Bjarni K Kristjánsson, Sophie S Steinhaeuser, Ísak M Jóhannesson, Valerie H Maier, Sigurdur S Snorrason, Zophonías O Jónsson, Arnar Pálsson

Species showing repeated evolution of similar traits can help illuminate the molecular and developmental basis of diverging traits and specific adaptations. Following the last glacial period, dwarfism and specialized bottom feeding morphology evolved rapidly in several landlocked Arctic charr (Salvelinus alpinus) populations in Iceland.
In order to study the genetic divergence between small benthic morphs and larger morphs with limnetic morphotype, we conducted an RNA-seq transcriptome analysis of developing charr. We sequenced mRNA from whole embryos at four stages in early development of two stocks with very different morphologies, the small benthic (SB) charr from Lake Thingvallavatn and Holar aquaculture (AC) charr. The data reveal significant differences in expression of several biological pathways during charr development. There is also a difference between SB- and AC-charr in mitochondrial genes involved in energy metabolism and blood coagulation genes. We confirmed expression difference of five genes in whole embryos with qPCR, including lysozyme and natterin which was previously identified as a fish-toxin of a lectin family that may be a putative immunopeptide. We verified differential expression of 7 genes in developing heads, and the expression associated consistently with benthic v.s. limnetic charr (studied in 4 morphs total). Comparison of Single nucleotide polymorphism (SNP) frequencies reveals extensive genetic differentiation between the SB- and AC-charr (60 fixed SNPs and around 1300 differing more than 50% in frequency). In SB-charr the high frequency derived SNPs are in genes related to translation and oxidative processes. Curiously, several derived SNPs reside in the 12s and 16s mitochondrial ribosomal RNA genes, including a base highly conserved among fishes.
The data implicate multiple genes and molecular pathways in divergence of small benthic charr and/or the response of aquaculture charr to domestication. Functional, genetic and population genetic studies on more freshwater and anadromous populations are needed to confirm the specific loci and mutations relating to specific ecological or domestication traits in Arctic charr.