Category: Vísindavefur – svör

Stökkbreytist veiran sem veldur COVID-19 hraðar en aðrar RNA-veirur?

Arnar Pálsson, 24/03/2020

Erfðamengi veira er lítið, það getur verið frá rúmlega þúsund bösum upp í um milljón basa. Til samanburðar eru um 6,5 milljarðar basa í hverri frumu manna. Stökkbreytihraði erfðaefnis er í öfugu hlutfalli við stærð erfðamengja, þannig að minni erfðamengi stökkbreytast örar. Fjallað er meira um þetta í svari við spurningunni Stökkbreytast veirur hraðar en flóknar lífverur? Árið 2020 hafa margir eðlilegar áhyggjur af kórónuveirunni sem veldur sjúkdómnum COVID-19 sem orðinn er að heimsfaraldri. Kórónuveirur eru með RNA-erfðaefni, á formi einsþátta RNA-sameindar, ólíkt DNA sem er tvíþátta kjarnsýra. Einsþátta kjarnsýrur eru mun berskjaldaðri fyrir ytri áhrifum og stökkbreytast þess vegna hraðar. Stökkbreytingar á veirum geta breytt eiginleikum þeirra, til að mynda ytri byggingu, fjölgunargetu og stöðugleika. Breytingar á ytri byggingu geta til dæmis gert veiru kleift að sleppa undan vöktun ónæmiskerfa fjölfruma dýra.

Lituð rafeindasmásjármynd af SARS-CoV-2-veirum sem valda sjúkdómnum COVID-19. Kórónuveirur eru með RNA-erfðaefni sem er einsþátta ólíkt DNA sem er tvíþátta.

Því er eðlilegt að velta fyrir sér hver stökkbreytihraði veirunnar SARS-CoV-2 sem veldur COVID-19 sé, og hvort hann sé hærri en hjá öðrum RNA-veirum? Ef þessi veira stökkbreytist hraðar en aðrar RNA-veirur sem við þekkjum, ættum við þá að hafa meiri áhyggjur? Vísindamenn eru enn að að meta stökkbreytihraðann hjá SARS-CoV-2, en rannsókn Zhao og félaga frá árinu 2004 á hinni náskyldu veiru SARS-CoV-1, greindi hraða hennar sem 0,8 til 2,4 × 10-3. Samanburður við aðrar RNA-veirur sýnir að ólíklegt er að kórónuveirur, þeirra á meðal SARS-CoV-2, hafi hærri stökkbreytihraða en aðrar RNA-veirur. Það er því ekki ástæða til að óttast SARS-CoV-2-veiruna vegna þess að hún stökkbreytist hraðar en aðrar veirur. Hér fyrir neðan er tafla sem sýnir stökkbreytihraða í fjórum gerðum af RNA-veirum. Taflan er þýdd og aðlöguð frá Zhao og félögum 2004. Í þeirri grein er einnig að finna vísanir í frumheimildir sem meta stökkbreytihraðann.

Veiruflokkur og gerð Fjöldi stökkbreytinga í basapari á ári
Einsþátta RNA-veirur (jákvæður þáttur) – kórónuveirur
Músalifrarbólguveira 0,4 – 2,8 × 10-2
SARS-CoV-1 0,8 – 2,4 × 10-3
Einsþátta RNA-veirur (jákvæður þáttur) – ekki kórónuveirur
Lifrarbólguveira C 0,8 × 10-3
Gin- og klaufaveikiveira 6 ×10-3
Einsþátta RNA-veirur (neikvæður þáttur)
Flensuveirur af gerð A 2,3 × 10-3
Retróveirur
HIV-1 1,7 × 10-3
Visnuveira 1,7 × 10-3

Samantekt:

  • RNA er með hærri stökkbreytitíðni en DNA
  • Kórónuveirur hafa einsþátta RNA erfðaefni.
  • Stökkbreytitíðni kórónuveira er svipuð og annara RNA-veira

Heimildir:

Mynd:

Langri spurningu Davíðs S. er hér svarað að hluta.

categories Vísindavefur - svör

Stökkbreytast veirur hraðar en flóknar lífverur?

Arnar Pálsson, 24/03/2020

Öll spurningin hljóðaði svona:

Eru stökkbreytingar hraðari hjá veirum sem hafa fá gen, en hjá flóknari lífverum með fleiri gen?

Erfðaefni flytur upplýsingar um byggingu og eiginleika lífvera milli kynslóða. Mikill munur er á stærð erfðamengja ólíkra lífvera og forma. Laukar hafa 30 milljarða basa í hverri frumu og menn um 6,5 milljarða. Ávaxtaflugur hafa hins vegar aðeins 360 milljónir basa og hver kólíbaktería er með um 5 milljónir basa.[1] Veirur eru með mun minni erfðamengi, frá rúmlega þúsund bösum upp í hundruði þúsunda eða jafnvel rúmlega milljón basa. Svo eru það veirungarnir (e. viroids), aðeins nokkur hundruð basa löng fyrirbæri sem valda meðal annars sumum plöntusjúkdómum og lifrarbólgu af gerð D. Stökkbreytihraði erfðaefnis er ólíkur milli hópa lífvera. Hann er mældur í fjölda stökkbreytinga á hvern basa í erfðamenginu í hverri kynslóð. Stökkbreytihraði í erfðamengi mannsins er um 7,0 til 8,9 × 10-9, en aðeins lægri í erfðamengi ávaxtaflugna, eða 5,10 til 5,90 × 10-9. Samanburður sýnir að stökkbreytihraðinn er í öfugu hlutfalli við stærð erfðamengja. Þannig að í minni erfðamengjum er hærri stökkbreytihraði. Svarið við spurningunni er því já, einfaldar verur eru með hærri stökkbreytitíðni en flóknari lífverur.[2]

Stökkbreytihraði er mjög ólíkur milli hópa og sýnir neikvætt samband við stærð erfðamengja. Á myndinni sjást ólíkar veirur og lífverur. Frá vinstri, veirungur, síðan þrjár ólíkar gerðir veira, bakteríur og loks mús.

Ástæðan fyrir muninum er fjölþætt. Dýr, plöntur, sveppir og örverur nota DNA sem erfðaefni. Veirur nota annað hvort DNA eða RNA sem erfðaefni. DNA og RNA hafa mismunandi stökkbreytihraða. Í fyrsta lagi er RNA óstöðugari kjarnsýra en DNA, vegna efnafræðilegrar byggingar keðjunnar. Í öðru lagi er DNA yfirleitt á tvíþátta formi í lífverum[3] á meðan erfðaefni sumra veira er á einsþátta formi. Einsþátta kjarnsýrur eru berskjaldaðri fyrir ytri áhrifum. Afleiðingin er munur á stökkbreytitíðni milli flókinna lífvera og einfaldari forma, til að mynda veira.

Samanburður á tvíþátta DNA og einþátta RNA. RNA er einsþátta kjarnsýra en þær eru berskjaldaðri fyrir ytri áhrifum.

Samantekt:

  • Veirur eru með lítil erfðamengi
  • RNA hefur hærri stökkbreytitíðni en DNA
  • Lífverur með stór erfðamengi hafa lægri stökkbreytitíðni en verur með einfaldari mengi

Tilvísanir:

  1. ^ Þessar tölur miða við tvílitna frumur. Einlitna erfðamengi manna er um 3,2 milljarðar basa og einlitna mengi lauks 15,9 milljarðar basa.
  2. ^ Vegna þess að stökkbreytingar eru flestar skaðlegar, er ályktunin sú að erfðamengi geta einungis stækkað í lífverum sem geta lækkað stökkbreytihraðann. Flóknar lífverur búa yfir mismunandi kerfum sem verja kjarnsýrur. DNA-viðgerðarkerfi, litur í húð, efnasambönd og prótínflókar hjálpa við að vernda DNA fyrir geislun og efnafræðilegum stökkbreytivöldum.
  3. ^ Nema rétt á meðan verið er að eftirmynda erfðaefnið eða umrita genin.

Heimildir:

Myndir:

categories Vísindavefur - svör

Hvaðan kom COVID-19 veiran?

Arnar Pálsson, 24/03/2020

Með því að skoða erfðamengi kórónaveirunnar sem veldur COVID-19 í fólki er hægt að varpa ljósi á uppruna hennar.[1] Sýkingin var fyrst greind í Wuhan-borg í Kína í desember 2019 en nú er vitað að veiran var farin að sýkja einstaklinga í borginni um miðjan nóvember. Í grein sem birtist í lok janúar 2020 reyna kínverskir vísindamenn að svara spurningunni um hvaðan veiran hafi komið. Þeir tóku sýni úr lungnavökva níu sýktra einstaklinga og notuðu einnig einangraðar veirur og framkvæmdu svonefnda heilraðgreiningu á erfðaefni úr sýnunum. Síðan voru lífupplýsingafræðilegar aðferðir notaðar til að raða saman bútum í tölvu og áætla þannig erfðamengi veiranna. Veiran reyndist hafa 29.903 basapara langt einsþátta RNA-erfðamengi. Allir einstaklingarnir voru sýktir af sömu gerð veirunnar sem sést á því að raðirnar eru 99,9% eins. Aðeins örfá frávik voru í erfðamenginu milli sýna. Með því að raða erfðamengjum veiranna og bera saman við aðrar kórónaveirur er hægt að meta skyldleika þeirra og setja fram tilgátur um uppruna COVID-19 veirunnar. Tegundir með sameiginlegan uppruna eru líkari í byggingu eða erfðasamsetningu en fjarskyldari tegundir. Það gerir mögulegt að meta þróunartré tegunda og einnig veira. Erfðagögnum úr sjúklingunum níu og nokkrum tugum annarra kórónaveira var raðað saman og þróunartré metið.

Þróunarskyldleiki COVID-19 (SARS-CoV-2) er mestur við raðir veira sem fundist hafa í leðurblökum. SARS-veiran (SARS-CoV) sem geisaði 2002/2003 er af öðrum meiði. Bygging erfðamengja veiranna er áþekk, nema meðal gena sem eru á 3’-enda litningsins. Myndin er fengin úr grein Xiaowei Li og félaga (2020).

Þróunartréð sýnir að COVID-19 veirurnar eru skyldastar veirum sem fundist hafa í leðurblökum. Raðirnar úr COVID-19 einstaklingunum eru 96,3% eins og leðurblökuveira sem kallast á fræðimáli BatCoV-RaTG13. Það staðfestir grun veirufræðinga um að veirurnar hafi stokkið á milli hýsla. Slíkt er þekkt, til að mynda bárust HIV- og zíkaveirurnar úr öðrum tegundum yfir í menn. Á síðustu tveimur áratugum hafa tvær kórónaveirur stokkið yfir í menn, SARS-CoV og MERS-CoV. Líklega gerðist það vegna dráps og neyslu á villtum dýrum. Gögnin sýna skýrt að nýja veiran hefur aðra erfðasamsetningu en bæði SARS og MERS og það staðfestir að um nýja sýkingu er að ræða. Í þessu samhengi er full ástæða til að minna á að sú árátta fólks að drepa og éta villt dýr er kveikjan að COVID-19 farsóttinni. Neysla kjöts af húsdýrum hefur ekki sömu hættu í för með sér, enda sóttvarnir yfirleitt góðar í landbúnaði. Ef fólk hefði hlustað á málflutning veirufræðinga og náttúruverndarsinna sem hafa bent á hættuna af slíkri iðju, væri mannkynið ekki í þessari stöðu.

Hér er sýnd röð genanna í þremur veirum, SARS, MERS og COVID-19 (SARS-CoV-2). Greina má mun á genasamsetningu milli veirugerðanna. Myndin er fengin úr grein Xiaowei Li og félaga (2020).

Þó að COVID-19 veiran sé skyldust veirum sem finnast í leðurblökum er ekki víst að um beint smit milli þessara tegunda sé að ræða. Mögulegt er að veirurnar hafi borist í menn úr enn annarri tegund. Þeirri spurningu verður hins vegar ekki svarað fyrr en búið er að kanna veirusýkingar í fleiri villtum tegundum. Frá því að fyrstu erfðaupplýsingar um veiruna urðu aðgengilegar hafa vísindamenn unnið hörðum höndum að því að þróa nýjar aðferðir til að greina hana og meta erfðamengi veira í sýktum einstaklingum. Hið síðara nýtist sérstaklega til að rekja smitleiðir og framvindu faraldursins.

Samantekt.

  • COVID-19 veiran barst úr annarri tegund yfir í menn.
  • Líklega gerðist það vegna neyslu á kjöti af villtum dýrum.
  • COVID-19 hefur aðra erfðasamsetningu en SARS- og MERS-veirurnar.
  • Greina má erfðamengi veiranna til að meta skyldleika þeirra við aðrar tegundir, og rekja smitleiðir meðal manna.

Tilvísun:

  1. ^ Fræðiheiti veirunnar er SARS-CoV-2 og sjúkdómurinn sem hún veldur heitir COVID-19. Í upplýsingagjöf Alþjóðaheilbrigðismálastofnunarinnar til almennings er yfirleitt notað orðalagið „veiran sem veldur COVID-19“ eða „COVID-19 veiran“. Sjá hér: Naming the coronavirus disease (COVID-19) and the virus that causes it. (Sótt 16.03.2020).

Heimild og myndir:

Upprunalega spurningin var: Hvaðan byrjaði kórónaveiran?

categories Vísindavefur - svör

Geta lífverur þróast í stökkum vegna stökkbreytinga?

Arnar Pálsson, 24/03/2020

Upprunalega spurningin hljóðaði svona:

Talað er um lífverur sem stökkbreytast með tíð og tíma eftir því hvað stökkbreytingin er hentug hverjum stað fyrir sig. Hvað tekur eiginlega langan tíma fyrir lífverur að stökkbreytast eða þróast, eru það áratugir, hundruðir, þúsundir eða miljón ár?

Stökkbreytingar eru hráefni þróunar lífvera, þær eru frávik sem verða í erfðaefni lífvera en leiða ekki endilega til stökka í útliti þeirra eða eiginleikum. Stökkbreytingar geta breytt ákveðnum stöðum í genum eða jafnvel byggingu eða samsetningu litninga. Þetta er hliðstætt því að sumar villur í bókum eru einfaldar stafsetningarvillur (samanber hestur eða gestur) á meðan aðrar verða þegar kjölurinn rofnar og kaflar fara á flakk. Íslenska orðið stökkbreyting er á vissan hátt misvísandi. Sannarlega hafa sumar stökkbreytingar mikil áhrif á eiginleika lífvera en flestar eru minniháttar. Sterkar breytingar, eins og þær sem breyta sléttri baun í hrukkótta, vængjaðri flugu í vænglausa og augnlit úr brúnum í bláan, voru viðfangsefni Gregors Mendel (1822 –1884), Thomas H. Morgan (1866 –1945) og annarra frumkvöðla erfðafræðinnar. Því var í fyrstu talið að breytingar á erfðaefni hefðu sterk og skýr áhrif[1]. Sú hugmynd var endanlega kveðin í kútinn af bandaríska erfðafræðingnum Martin Kreitman árið 1983. Hann skoðaði fyrstur manna breytileika í röð ákveðins gens (Adh í ávaxtaflugum) og fann margfalt meiri breytileika en búast mátti við út frá eiginleikum ávaxtaflugnanna sem rannsakaðar voru. Rannsókn Kreitmans var gerð möguleg með framförum í sameindaerfðafræði sem nokkrum áratugum síðar leiddu til þess að heilu erfðamengin voru raðgreind.

Thomas H. Morgan rannsakaði frávik í formi ávaxtaflugna. Villigerðar kvenfluga a) og b) karlfluga, og karlfluga arfhrein um galla í vestigial geninu c).

Erfðamengi tegunda eru misstór, einlitna erfðamengi ávaxtaflugu er um það bil 180 milljónir basa, einlitna mengi H. sapiens er 3,2 milljarðar basa, furur eru með mengi upp á 15,9 milljarða basa[2]. Niðurstöður rannsókna hafa sýnt að í erfðamengjum lífvera eru milljónir eða tugmilljónir stökkbreytinga en flestar þeirra hafa næstum engin áhrif á eiginleika lífveranna[3]. Það er staðreynd að enginn einstaklingur af mannkyni er laus við stökkbreytingar, ekki frekar en aðrar lífverur. En geta stökkbreytingar látið lífverur þróast í stökkum? Þróun lífvera verður vegna breytinga á erfðasamsetningu stofna yfir margar kynslóðir, til dæmis þegar þeir lagast að breyttum aðstæðum. Erfðabreytileikinn er forsenda þróunar. En til að nýjar gerðir veljist úr þurfa þær að vera betri en gerðirnar sem eru fyrir (náttúrulegt val). Flestar stökkbreytingar með sterk áhrif á svipfarið eru skaðlegar, þær skerða vöxt, þroska, starfsemi lykillíffæra eða annara kerfa. Erfðafræðingurinn Richard Goldschmitt (1878 – 1958) hafði samt mikla trú á því að breytingar með sterk áhrif gætu hraðað þróun og kallaði slík dýr „hopeful monster“, sem mætti útleggja sem efnilegt skrímsli, eins og við tölum um efnilegt ungmenni á íslensku. Samkvæmt hugmynd hans áttu stökkbreytingar sem bjuggu til slík efnileg skrímsli, til dæmis tilbrigði liðdýrs með fætur sem breyttust í munnparta, að auðvelda róttækar breytingar á formi lífvera. Hann taldi ákaflega ólíklegt að finna liðdýr með hálfan fót og hálfan munnpart því slík lífvera væri örugglega minna hæf en villigerðin. Hún væri verr aðlöguð og myndi því nær örugglega deyja út. Slíkir dalir aðlögunar eru vel þekktir í þróunarfræði (mynd hér fyrir neðan). Tilgáta hans var að efnileg skrímsli gætu gert þróuninni kleift að komast yfir dali aðlögunar og að nýja formið gæti jafnvel verið jafn hæft eða hæfara en foreldra gerðin.

Hópar geta verið vel aðlagaðir umhverfi sínu, til dæmis vegna þess að lífverurnar eru með góða samsetningareiginleika (hæð, stærð, hlaupageta, veiðitennur). Slík tegund er álitin sitja á aðlögunartoppi (A), á meðan tegund með aðra samsetningu eiginleika er kannski á öðrum toppi (B). Hópur með blöndu af eiginleikum tveggja tegunda lendir í dalnum milli aðlögunartoppa og mun farnast illa í lífsbaráttunni (líklega deyja út).

Náttúrulegt val þarf margra kynslóðir til að ný gerð verði allsráðandi. Tegundir eru samsettar af stórum stofnum og nýjar gerðir eru alltaf sjaldgæfar í upphafi sama hversu miklu hæfari sem þær reynast en meðaleinstaklingurinn. Í tilfelli efnilegra skrímsla tæki einhverjar kynslóðir að festa nýjar gerðir í stofninum því liðdýr með nýja munnparta væri hæfara en gerðin án þeirra. Tilgáta Goldschmitts er vissulega heillandi en sá er galli á gjöf Njarðar að rannsóknir á þróun lífvera í náttúrunni hafa ekki fundið dæmi um efnileg skrímsli sem hafi auðveldað þróunina. Þróun á sér sífellt stað, í hverri einustu kynslóð breytist erfðasamsetning og eiginleikar stofna. Hraði þróunar ákveðinna einkenna veltur á nokkrum þáttum. Hversu algengt er afbrigðið í upphafi, sem náttúrulega er valið fyrir? Hversu sterk eru áhrif á hæfni, það er að segja eykur samsætan hæfni um 1% eða 15%? Hversu stöðugur er valþrýstingurinn?[4] Þróun sumra eiginleika og tegunda hefur verið fjarska hröð (10-100 kynslóðir) á meðan aðrar þróast mun hægar eða að því er virðist ekki breytast neitt í 100 milljón ár, til dæmis bláfiskur. Andstætt hugmynd Goldschmitts virðist þróun gerast í litlum skrefum, til dæmis að goggar ákveðinnar finkutegundar minnka um 0,1 mm með hverri kynslóð. Þótt sannarlega séu dæmi um aðlögun tegunda vegna stökkbreytinga sem hafa sterk áhrif flokkast þau ekki sem efnileg skrímsli. Eitt þekktasta dæmið um stökkbreytingu með sterk áhrif er samsæta gensins cortex sem gerir vængi fetans Biston betularia dökka í stað ljósa á litinn. Með iðnvæðingunni í Bretlandi huldust ljósir trjástofnar sóti sem olli því að einstaklingar með dökkleitu samsætuna urðu hæfari en þeir með ljósu samsætuna. Tíðni hennar óx mjög hratt á nokkrum áratugum á þarsíðustu öld, uns dökkleitir fetar urðu allsráðandi. Þótt litabreytileikinn í fetanum sé afgerandi telst hann samt ekki efnilegt skrímsli. Bróðurpartur þeirra dæma sem rannsökuð hafa verið benda til þess að margir erfðaþættir, hver um sig með væg áhrif á hæfni, liggi til grundvallar aðlögunar og þróunar lífvera. Slíkar breytingar taka fjarska langan tíma, þúsundir eða hundruðir þúsunda kynslóða. Það er tími sem við hinir óþolinmóðu menn eigum fjarska erfitt með að skilja.

Hér má sjá bæði dökkt og ljóst afbrigði af fetanum Biston betularia sem er þekktasta dæmið um hraðar þróunarbreytingar. Fyrir iðnvæðingu var ljósa afbrigðið alls ráðandi en sótugir trjástofnar sköpuðu hagstæðari skilyrði fyrir dökka afbrigðið. Minna sót á seinni tímum hefur aftur gefið ljósa afbrigðinu tækifæri.

Samantekt

  • Stökkbreytingar valda ekki endilega stökkum á útliti dýra eða lífvera
  • Aðeins lítill hluti stökkbreytinga hefur áhrif á svipgerð eða hæfni einstaklinga.
  • Þróun telst hröð ef hún tekur innan við 100 kynslóðir. Algengara er að þróun taki þúsundir eða jafnvel milljónir kynslóða
  • Náttúrulegt val vinnur með margrar stökkbreytingar sem hver hefur yfirleitt lítil áhrif á hæfni.

Tilvísanir:

  1. ^ Francis Galton hafði reyndar áttað sig á að hæð einstaklinga var nátengd meðalhæð foreldra þeirra, og aðrir í kjölfarið lögðu grunn að fræðigrein sem fjallar um eiginleika sem eru undir áhrifum umhverfis, tilviljunar og fjölda erfðaþátta, sem hver um sig hefur væg áhrif.
  2. ^ Reyndar eru erfðamengi einstaklinga einnig ólík af stærð, ekki eru allir breiðnefir með jafn mikið erfðaefni. Og eins og glöggir lesendur geta ef til vill ímyndað sér eru eintökin sem við fáum af til dæmis litningi 1 frá móður og föður mislöng.
  3. ^ Stökkbreytingar sem engin áhrif hafa á starfsemi eða hæfni lífvera eru kallaðar hlutlausar (e. neutral).
  4. ^ Það getur komið fyrir að valið sé fyrir stórum fuglum í 100 kynslóðir, en litlum fuglum næstu 50 kynslóðir þar á eftir.

Heimildir, frekari fróðleikur og myndir:

categories Vísindavefur - svör

Geta vísindin sagt mér hversu mikill neanderdalsmaður ég er?

Arnar Pálsson, 25/09/2019
Nýlegt svar fyrir vísindavefinn. Arnar Pálsson. „Geta vísindin sagt mér hversu mikill neanderdalsmaður ég er?“ Vísindavefurinn, 18. september 2019.
Öll spurningin hljóðaði svona:

Geta vísindin sagt mér hversu mikill neanderdalsmaður ég er og hvaða merkingu það hefur að hafa erfðaefni frá neanderdalsmönnum í sér?

Homo sapiens er komin af stórri fjölskyldu manntegunda sem skildust frá sameiginlegum forföður okkar og simpansa fyrir fjórum til fimm milljónum ára. Flestar manntegundirnar bjuggu í Afríku en dreifðust einnig um gamla heiminn, og er talið að á hverjum tíma hafi verið til nokkrar ólíkar manntegundir. Nýlegar rannsóknir á fornerfðaefni (e. ancient DNA) sem greinst hefur í tugþúsund ára gömlum beinum gera stofnerfðafræðingum kleift að greina skyldleika nútímamannsins og annara hópa manna sem uppi voru á síðustu 100.000 árum og einnig að greina erfðablöndun milli hópa.

Ein þessara manntegunda er Homo neanderthalensis sem lifði í Evrópu og Asíu en dó út fyrir um 30.000 árum. Bylting í raðgreiningu erfðamengja og bættar aðferðir við einangrun á erfðaefni úr beinaleifum gerðu það mögulegt að raðgreina litning hvatbera úr tönn neanderdalsmanns (Krings o.fl. 1997). Niðurstöður sýndu að H. Neanderthalensis var ættingi nútímamannsins og að við áttum sameiginlegan forföður fyrir um 500.000-700.000 árum. En hvatberinn ber einungis lítinn hluta erfðaefnis einstaklings. Árið 2010 birtust niðurstöður úr raðgreiningu erfðamengja um 38.000 ára gamalla beina þriggja neanderdalsmanna úr Vindija-hellinum í Króatíu. Þær staðfestu matið á aldri sameiginlegs forföður neanderdalsmanna og okkar. Mest sláandi var hins vegar sú staðreynd að sumir menn eru með litningahluta sem svipar mjög sterklega til erfðamengis neanderdalsmannanna. Það þýðir að sum gen og litningabútar hafa flust á milli tegundanna, inn í erfðamengi forfeðra okkar. Slíkt gerist með æxlun og kynblöndun. Athyglisvert er að gen ættuð úr neanderdalsmönnum finnast eingöngu í mönnum sem eru frá landsvæðum utan Afríku. Neanderdalsmenn bjuggu einmitt í Evrasíu og hafa líklega blandast mönnum sem bjuggu utan Afríku fyrir um það bil 47.000 til 65.000 árum. Greiningar á erfðaefni í fornum mannabeinum hafa líka sýnt að á svipuðum tíma var uppi önnur tegund manna austar í Asíu. Þeir hafa verið nefndir denisovamenn, eftir Denisova-hellinum í Altai-fjöllunum þar sem fyrstu beinin fundust. Þeir voru álíka skyldir mönnum og neanderdalsmenn og komið hefur í ljós að þeir æxluðust einnig við forfeður okkar. En hversu mikið af erfðaefni kom frá þessum ættingjum okkar? Að meðaltali er um 2% af erfðaefni fólks utan Afríku ættað frá neanderdalsmönnum. Gen frá denisovamönnum finnast á heldur afmarkaðra svæði, alls ekki í fólki frá Afríku og Evrópu en umtalsvert í frumbyggjum austur Asíu. Hæst er hlutfallið á Papúa Nýju-Gíneu, um 8%. Erfðaefnið frá þessum ættingjum okkar er ekki jafndreift um erfðamengið. Um 50% af erfðamenginu sýnir engar vísbendingar um genaflæði frá neanderdalsmönnum. Þar með talið X-litningurinn allur og mörg gen annar staðar í erfðamenginu. Þetta bendir til þess að samsætur gena úr neanderdalsmönnum hafi ekki passað sérstaklega vel við erfðamengi forfeðra okkar. Á móti kemur að samsætur sumra gena frá þeim hafa náð 50% tíðni meðal manna utan Afríku. Að síðustu, þar sem neanderdals- og denisovamenn voru uppi á saman tíma var blöndun þeirra einnig möguleg. Þetta var staðfest árið 2018 þegar raðgreint var erfðaefni beins ungrar stúlku sem átti neanderdalsmann að föður og denisovakonu sem móður. Denny (svo nefnd af erfðafræðingunum) var fyrstu kynslóðar blendingur þessara tveggja manntegunda eða undirtegunda.

Líkön um skyldleika neanderdalsmanna (N), Evrópubúa (E) og Afríkumanna (Y). Tímaás rennur frá efri hluta mynda niður á greinar. Efst tengjast hóparnir vegna sameiginlegs uppruna, en síðan aðskiljast þeir þegar þróuninni vindur áfram. Þykkt greina vísar í stofnstærð, til dæmis þrengist grein Evrópubúanna eftir að þeir skildust frá afrísku greininni. Líkan A sýnir einfaldan aðskilnað hópanna, með flöskuháls í stofnstærð forfeðra Evrópubúa. Líkan B sýnir flutning erfðaefnis frá neanderdalsmönnum í Evrópubúana. Líkan C sýnir enga erfðablöndun, en punktalínan táknar að eldri aðgreining hafi verið í forföður manna og neanderdalsmanna og sú aðgreining hafi leitt til munar á fólki innan og utan Afríku. Líkan B er best stutt gögnunum. Yaruba-ættbálkurinn í Nígeríu er fulltrúi afríska hópsins og evrópski hópurinn er blanda af evrópskum landnemum í Ameríku. Gögn um neanderdalsmennina komu úr raðgreiningum á beinasýnum frá Evrópu. Mynd er einfölduð eftir grein Sankararaman o.fl. 2012.

Með því að gera erfðagreiningu á einstaklingum með hundruðum þúsunda erfðamarka er hægt að meta hversu hátt hlutfall erfðaefnis þeirra er ættað frá neanderdals- eða denisovamönnum. Fyrirtæki sem bjóða upp á arfgerðargreiningar til að meta uppruna einstaklinga meta mörg hver einnig erfðaframlag þessara hópa. Svarið við spurningunni, get ég farið í erfðapróf sem sýnir hversu mikill neanderdalsmaður ég er, er því já. Hægt er að fara í erfðapróf og meta hversu stór hluti erfðaefnis viðkomandi er komið frá neanderdalsmönnum. Líklegast er að um 1,5 til 2% af erfðaefni viðkomandi sé ættað úr neanderdalsmönnum. En hvernig á að túlka svona próf? Það að ein manneskja sé með meira af neanderdalsgenum en önnur þýðir ekki að ein sé þróaðri (eða æðri) en hin. Ef einhver myndi túlka gen frá neanderdals- eða denisovamönnum sem mengun þá teljast afrískir hópar hreinræktaðastir meðal manna. En slík ályktun er ekki á rökum reist því tegundirnar voru jafngildar meðan þær lifðu á jörðinni. Samsætur vissra gena frá neanderdalsmönnum hafa verið bendlaðar við vissa eiginleika, til dæmis þol gagnvart vissum sjúkdómum. Merkilegasta framlagið frá þessum tegundum er samt samsæta ákveðins gens sem gerir Tíbetbúum kleift að lifa hátt í fjöllum. Sú samsæta er ættuð frá denisovamönnum. Samantekt:

  • Greining á erfðaefni úr fornum beinum hefur sýnt fram á skyldleika manna og neanderdalsmanna, og erfðablöndun hópanna fyrir um það bil 54.000 árum.
  • Gen frá neanderdals- og denisovamönnum finnast bara í hópum manna utan Afríku.
  • Hægt er að greina hlutfall neanderdalsgena í erfðamengjum einstaklinga með prófi.
  • Meira eða minna hlutfall slíkra gena þýðir ekki að einn sé meira eða minna þróaður en annar.

Ítarefni, heimildir og myndir:

categories Vísindavefur - svör

Er hægt að endurlífga útdauð dýr?

Arnar Pálsson, 17/08/2018

Er hægt að endurlífga útdauð dýr? Vísindavefurinn, 19. júní 2018.

Í sögu lífs á jörðinni eru þekktar fimm stórar útdauðahrinur þar sem margar tegundir og fjölskyldur lífvera dóu út. Ein slík hrina varð til dæmis við lok permtímabilsins og önnur í lok krítartímans þegar risaeðlurnar dóu út (endanlega, nema fuglarnir sem eru af þeim komnir). Sjötta útdauðahrinan er hafin. Ólíkt þeim fyrri er hún af mannavöldum, vegna mengunar, eyðingar búsvæða, ofveiði og loftslagsbreytinga.

Margar lífverur hafa dáið út á síðustu öldum vegna mannsins, til dæmis geirfuglar og flökkudúfur. Margar aðrar lífverur eru í útrýmingarhættu. Af sumum tegundum dýra eru bara eftir tugir, hundruðir eða þúsundir einstaklinga í náttúrunni. Þekkt er skjaldbakan Einmanna Georg á Galapagoseyjum, en hann var sá síðasti sinnar tegundar (Chelonoidis nigra abingdoni). Tilraunir til að maka honum við kerlur af öðrum náskyldum tegundum báru engan árangur og tegundin dó út með honum árið 2012.

Spyrja má hvort og þá hvaða aðferðir duga til að hindra útdauða tegunda eða jafnvel endurlífga útdauð dýr? Ein aðferð til þess að reyna að bjarga tegundum úr útrýmingarhættu er sú sem Georg fékk að prófa. Að æxla einstaklingum við náskyldar tegundir og þeim afkvæmum svo saman og reyna að velja fyrir eiginleikum sem einkenna tegundina í hættu. Þetta hefur til dæmis verið reynt með stórar kattartegundir, ljón, tígrisdýr og skylda ketti. Vandamálið er að ekki er augljóst hvernig hægt er að endurbyggja upprunalegu tegundina, til dæmis ljónið úr genasúpu stórra kattardýra.

Nú er aðallega horft til tveggja aðferða, klónunar eða erfðabreytinga, í þeirri von að bjarga tegundum í útrýmingarhættu eða jafnvel endurreisa útdauðar tegundir. Klónun, byggð á kjarnaflutningi inn í eggfrumu hefur verið notuð og er lambið Dollý frægasta dæmið, en alls hafa 21 aðrar dýrategundir verið klónaðar með þessari aðferð. Nýlega fæddust tveir makakí-apar, Hua Hua og Zhong Zhong, sem búnir voru til á þennan hátt.

Klónun hefur nýst við að fjölga lífverum sem eru í útrýmingarhættu. Banteng (Bos javanicus), asískur ættingi kúa, var klónaður og tvö slík dýr voru til sýnis í dýragarðinum í San Diego. Klónaður gaur (Bos gaurus), en gaurar eru indverskir ættingjar vísunda, átti að vera aðalaðdráttarafl sama dýragarðs en hann dó skömmu eftir fæðingu. Fæðing er hættuleg spendýrum en gæti verið sérstaklega hættuleg klónuðum dýrum og eru mörg dæmi eru um að klónuð afkvæmi hafi dáið í fæðingu. Þótt klónun komi að gagni þá er hún hvorki skilvirk né örugg aðferð til að hjálpa til við að fjölga dýrum í útrýmingarhættu. Ein og sér dugar hún heldur ekki til að endurreisa útdauð dýr því fyrir klónun þarf lifandi frumu eða heilan kjarna.

Ný erfðatækni - CRISPR-Cas-tæknin - gæti hugsanlega gert mögulegt að endurlífga útdauðar tegundir, sérstaklega ef hún er notuð með klónunartækni. CRISPR-aðferðin gerir mögulegt að breyta röð gena á markvissan hátt. Hugsanlegt væri að nota aðferðina til að breyta erfðamengi núlifandi tegundar þannig að það líkist erfðamengi útdauðs ættingja. Aðferðin byggir á nokkrum veigamiklum forsendum. Til að mögulegt sé að lífga við útdauðu tegundina þurfa að vera fyrir hendi upplýsingar um erfðamengi hennar. Ekkert erfðaefni er að finna í leifum tegunda sem dóu út fyrir milljónum ára. Það er því enginn möguleiki á að endurlífga risaeðlur eða brynfiska. Einnig þarf tegund náskylda þeirri útdauðu, sem er nægilega algeng til að vinna með. Upplýsingar um raðir erfðamengja beggja tegunda, þeirrar útdauðu og ættingjans, þurfa að vera áreiðanlegar. Síðan þarf að endurskrifa erfðaefni ættingjans og breyta því þannig að því svipi til erfðaefnis útdauðu tegundarinnar, sem myndi gerast með CRISPR-tækninni. Til að hraða ferlinu þyrfti líklega að notast við klónun fruma og nokkrar umferðir af erfðabreytingum og þroskun afkvæma í staðgöngumæðrum. Þannig væri hægt að færa erfðamengi fjarskylda ættingjans (og þar með líffræði einstaklinganna) nær því sem einkenndi hina útdauðu tegund. Hugmyndin er djörf og spurning hvort hún sé framkvæmanleg. Eitt veigamikið atriði er spurningin um hvaða erfðabreytingar ætti að framkvæma.

Munur á erfðaefni náskyldra tegunda er mismikill. Á hinum útdauða loðfíl og núlifandi Afríkufíl er um 3% munur á erfðaefni. Það kann að virka smávægilegt, en vegna umfangs erfðamengja hryggdýra þýðir þetta að fleiri milljónir basa eru ólíkir í erfðamengjum fíls og loðfíls. Það er tæknilega ómögulegt að framkvæma milljón nákvæmar breytingar með CRISPR-tækninni á erfðaefni einnar frumu. Forvígismenn aðferðarinnar segja að þeir vilji ekki gera allar breytingarnar heldur bara þær sem skipti máli. Þá vaknar næsta spurningin hvaða mismunur á genum loðfíls og fíls skiptir mestu um muninn á útliti þeirra og hegðun? Forvígismennirnir segja að þær séu örugglega aðeins 20 til 100, aðeins þurfi að finna þær.

Þróunar- og erfðafræðingar vita að það er fáránlega erfitt að finna gen sem hafa áhrif á mun á tveimur tegundum. Nærtækt dæmi er sá 1-3% munur sem er á erfðaefni manna og simpansa. Við höfum hugmynd um mismun í nokkrum genum sem líklega skipta máli fyrir muninn á okkur og simpönsum, en alls ekki allar breytingarnar. Því er harla ólíklegt að hægt sé að finna hvaða 100 stökkbreytingar gerðu loðfílinn frábrugðinn nútímafílnum, og þar með fellur framtakið um sjálft sig.

Ef til vill er þó veigameira sú fyrirhöfn og kostnaður sem myndi fylgja því að endurlífga útdauða lífveru eða koma tegund úr útrýmingarhættu með klónun og erfðatækni.

Við höfum mestan áhuga á verndun stórra dýra, spendýr og fugla. En fæstir hafa áhyggjur af útdauða orma, bjalla, baktería eða blóma. Veruleikinn er sá að þetta eru algengustu hópar lífvera á jörðinni. Hraði útdauða í nútímanum er hár, talið er að um 30 tegundir deyi út á hverjum degi. Það þyrfti því að klóna og endurlífa um 30 tegundir á dag til þess að halda í horfinu hvað varðar fjölda tegunda.

Rétta spurningin er ef til vill hver er besta leiðin til að viðhalda fjölbreytileika lífs á jörðinni? Svarið er að við þurfum að breyta neyslumynstri, draga úr ferðalögum með flugvélum, vernda búsvæði og óspillt víðerni.

Samantekt:

  • Erfðatækni og klónun mætti ef til vill nýta til að bjarga tegundum í útrýmingarhættu.
  • Mun erfiðara er að endurlífga útdauðar tegundir með slíkri tækni, sérstaklega löngu útdauðar tegundir eins og loðfíla.
  • Ómögulegt væri að endurlífga risaeðlur því erfðaefni þeirra er glatað og þær eiga enga nægilega skylda ættingja á lífi.
  • Mikilvægara er að koma í veg fyrir útdauða með því að vernda náttúruna og draga úr neyslu.

categories Vísindavefur - svör

Er hægt að klóna apa?

Arnar Pálsson, 02/05/2018

Náttúrleg klónun er vel þekkt,til dæmis við knappskot eða þegar ný tré vaxa upp af brotnum greinum eða föllnu tré (samanber stiklinga). Í marga áratugi hafa vísindamenn unnið að því að klóna dýr á tilraunastofum. Breski líffræðingurinn John Gurdon (f. 1933) var fyrstur til að klóna hryggdýr þegar hann klónaði froska upp úr miðri síðustu öld. Hann fékk Nóbelsverðlaunin í lífeðlis- og læknisfræði árið 2012 fyrir rannsóknir sínar. Margir kannast við kindina Dollý sem vísindamenn við Roslin-rannsóknastöðina í Skotlandi klónuðu 1996. Dollý og nafnlausu froskarnir hans John Gurdons voru búnir til með aðferð sem byggir á því að fjarlægja kjarna úr eggi og hvata samruna líkamsfrumu við eggið (e. somatic cell nuclear transfer, skammstafað SCNT, bein þýðing væri ef til vill líkamsfrumukjarnaflutningur). Í tilfelli Dollýjar var notaður kjarni úr júgurfrumu kindar af Finn Dorset-kyni en egg úr kind af Scottish Blackface-kyni. Með því að nota sitt hvort fjárkynið var auðvelt að greina uppruna afkvæmisins við fæðingu út frá útliti, en uppruni kjarna Dollýar var einnig staðfestur með sameindaerfðafræði.

Arnar Pálsson. „Er hægt að klóna apa?“ Vísindavefurinn, 9. apríl 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=75518

Einræktun af þessu tagi er ekki skilvirk aðferð. Af 277 eggjum sem fengu kjarna úr júgurfrumu komust 29 óhult í gegnum fyrstu frumuskiptingarnar og gátu myndað kímblöðru. Af 29 kímblöðrum sem voru fluttar í leg Scottish Blackface-kinda náðu 13 að bindast legveggnum. Aðeins eitt fóstur gat af sér lifandi lamb (6LL3) sem fékk nafnið Dollý. Þegar Dollý var kynnt árið 1997 héldu sumir að hægt væri að klóna allar lífverur. Síðan hafa 23 tegundir dýra hafa verið klónaðar, til dæmis svín, kýr, kindur, kettir og hundar. Fram til ársins 2017 hafði engum tekist að klóna apa þrátt fyrir margvíslegar tilraunir. Stofnfrumusérfræðingurinn Shoukhrat Mitalipov og félagar hans við Heilsu- og vísindaháskólann í Oregon gerð til dæmis tilraunir með 15.000 egg úr öpum en án árangurs. Ókleifi þröskuldurinn virðist hafa verið mörkun kjarnanna. Mörkun á sér stað í þroskaferli frumna þegar þær þroskast á ákveðna braut, til dæmis í forvera taugakerfis eða húðar. Frumurnar sérhæfast síðan til dæmis í ólíkar frumur húðar eða heilans. Kjarnar starfa ólíkt í mörkuðum eða sérhæfðum frumum og frjóvgaðri eggfrumu.

 Allar frumur líkamans hafa sama erfðaefni. Munurinn á frumugerðum er sá að þær nota mismunandi gen. Þetta er best útskýrt með ímynduðu dæmi, segjum til dæmis að taugafrumur noti 10.000 gen og lifrarfrumur 8.000, en bara 5.000 þeirra eru sameiginleg. Virkni genanna er stýrt af nákvæmum kerfum, framleiðsla tiltekinna prótína er skrúfuð upp eða niður eftir aðstæðum og þegar þroskun vindur fram. Stýringin felst meðal annars í því að pakka eða afpakka tilteknum svæðum á litningum sem gerir frumum kleift að muna. Ákveðin litningasvæði fruma í húð eru pökkuð og allar frumur sem af þeim koma einnig. Þannig muna þær að þær eru húð og framleiða rétt prótín en ekki til dæmis meltingarensím eða taugaboðefni. Árangurinn í klónun veltur á því hversu vel gengur að endurstilla kjarna gjafafrumunnar. Tilraunir til að klóna apa hafa mistekist og þá er spurningin hvort það sé vegna þess að aðferðir okkar eru ófullkomnar eða vegna þess að klónun virkar ekki fyrir þennan hóp dýra sem við tilheyrum einnig. Í janúar 2018 birtist grein í vísindatímaritinu Cell eftir Qiang Sun og samstarfsmenn hans við Taugalíffræðistofnunina í Shanghai sem sýndi hvernig hægt er að klóna makakí-smáapa með kjarnaflutningsaðferðinni. Sun og félagar komust fyrir hindranir sem reyndust óyfirstíganlegar fyrir alla aðra. Nýjungarnar voru tvennskonar. Í fyrsta lagi að nota tiltekin efni og RNA-boð til að endurforrita erfðaefni frumunnar. Um var að ræða efni sem hafa áhrif á litnið og mRNA fyrir ensím sem breytir aðgengi að erfðaefninu. Í öðru lagi notuðu þeir fósturfrumur úr öpunum en ekki frumur úr fullorðnum dýrum eða ungviði. Dollý var til dæmis klónuð úr frumum úr júgri fullorðins dýrs, mögulega stofnfrumu. Fósturfrumur er máttugri en venjulegar frumur. Húðfruma getur bara af sér húðfrumur, ekki heilan líkama. Þetta seinna atriði þýðir að klónun fullorðins apa hefur ekki tekist heldur aðeins klónun á fóstri.

Í tilrauninni var unnið með rúmlega hundrað egg sem kjarnar höfðu verið fjarlægðir úr. Kjarnalaus egg voru látin renna saman við stakar þekjufrumur úr fóstri sem gaf 109 kímblöðrur (fóstur með um 200-300 frumur). Eðlilegur frumuklasi fannst í 79 kímblaðranna og voru þau fóstur sett i staðgöngumæður (21 talsins). Aðeins sex fóstur leiddu til eðlilegrar meðgöngu og einungis tveir apar (Hua Hua og Zhong Zhong) fæddust. Þeir komu í heiminn eftir 135 og 137 daga sem er eðlileg meðganga fyrir makakí-smáapana. Klónun úr frumum fullorðins apa tókst næstum. Sun og félagar reyndu einnig að nota líkamsfrumur fullorðins apa, úr þekjufrumum eggbús. Svipaður fjöldi eggja var notaður og árangurinn sambærilegur við hina tilraunina. Tveir apar gengu fulla meðgöngu og fæddust lifandi, en dóu báðir innan tveggja daga. Áður höfðu slík fóstur komist 2/3 meðgöngunnar, að 80 degi um það bil. Hvers vegna voru þessar tilraunir gerðar? Í kjölfar klónunar Dollýjar var umræða um hvort eðlilegt væri að nota klónun til að fjölga fólki (e. reproductive cloning). Í flestum vestrænum ríkjum var slík klónun bönnuð með lögum eða reglugerðum. Engu að síður er nú rætt hvort réttlætanlegt sé að nota klónun til að lækna sjúkdóma, til dæmis leiðrétta erfðagalla í fóstri eða afkvæmi pars. Slíkt virðist ekki vaka fyrir rannsóknarhóp Sun og félaga í Shanghai. Yfirlýst markmið tilraunanna er að útbúa líkan fyrir líffræði taugasjúkdóma eins og Alzheimer og Parkinson, sem ekki er hægt að herma eftir í músum. Þeir vilja nota klónun til að geta borið saman apa með og án alvarlegra stökkbreytinga til dæmis sem orsaka Alzheimer. Ef tveir apar eru nákvæmlega eins erfðafræðilega, nema hvað annar er með gallað gen, væri mögulega auðveldara að rannsaka líffræði sjúkdómsins. Annmarkar á rannsóknaráætlun þeirra eru lítil sýnastærð og mögulega áhrif erfðaumhverfis. Einnig er mögulegt að klónunin sjálf hafi aukaverkanir. Sýnastærð er mikilvæg í vísindum. Samanburður á tveimur dýrum er ófullnægjandi, krafa er um stór þýði og að hægt sé að endurtaka rannsóknina. Það þyrfti mikinn fjölda apynja til að gefa eggin og ganga með fóstrin og síðan heila heimavist sem aparnir þyrftu að búa í. Jafnvel þótt búin verði til nokkur pör af öpum, með eða án tiltekinnar stökkbreytingar, þá þroskast hver þeirra á sinn hátt og alls óvíst að hægt sé að útbúa þeim nægilega svipað umhverfi. Annað vandamál er að stökkbreytingin sem rannsaka á getur haft framandi áhrif í apanum, það er að segja í erfðaumhverfi tegundarinnar eða jafnvel einstaklingi sem hún var sett í. Rhesusapar, ættingjar makakísmáapanna, eru til dæmis með útgáfur gena sem valda sjúkdómum í manninum en rhesusaparnir sýna engin einkenni sjúkdómsins þótt þeir séu allir „stökkbreyttir“. Ástæðan er sú að samhengi stökkbreytinga skiptir máli, bæði erfðafræðilegt samhengi og einnig umhverfislegt, sem er líka félagsumhverfi. Allt þetta á við um erfðasjúkdóma mannsins eins og slímseigjusjúkdóm (Cystic fibrosis), krabbamein og Alzheimer. Almenn gagnrýni er að lífverur sem myndast með klónun eru erfðafræðilega eldri en venjulegar lífverur. Klónun byggir á að „eldri“ frumur sé notaðar í næstu kynslóð. Líkamsfrumur skipta sér oftar en stofnfrumur kynfruma. Í hverri skiptingu eru líkur á stökkbreytingum og með fleiri skiptingum aukast líkurnar, samanber krabbamein. Fruma úr júgri „klónmóður“ Dollýjar var kannski búin að skipta sér 20 sinnum en kynfrumur eins og egg mun sjaldnar. Þar af leiðandi er hætta á að klónar verði erfðafræðilega gamlir. Það felst mótsögn í því að klóna erfðafræðilega fullkomnar verur með aðferð sem tryggir að þær verði ófullkomnar. Frá vísindalegu sjónarmiði er samt forvitnilegt að rannsaka mynstur stökkbreytinga í klónuðum lífverum, til dæmis að kanna hvort líkur á krabbameinum aukist. Einnig er forvitnilegt að rannsaka endurforritun kjarnanna, hversu vel hún tekst og hvort að frávikin hafi áhrif á ólíka vefi eða líffærakerfi.

Samantekt

  • Nýleg rannsókn sýnir að klónun apa og jafnvel manna er kannski möguleg.
  • Í þessari rannsókn var unnið með fósturfrumur, ekki er því um klónun fullorðins apa að ræða.
  • Klónun manna er bönnuð á flestum Vesturlöndum.
  • Miðað við vandamálin sem yfirstíga þarf við klónun apa er fjarska ólíklegt að menn verði klónaðir í framtíðinni.

categories Vísindavefur - svör

Hversu mörg gen fáum við frá hverjum forföður?

Arnar Pálsson, 03/04/2018

Með bættum aðferðum til að greina erfðabreytileika manna á milli og betri líkönum í stofnerfðafræði hefur möguleikinn á að svara spurningu eins og þessari aukist mikið. Með því að nota sameindagreiningar má finna hvaða litningar og hlutar þeirra koma frá föður, móður, öfum, ömmum og fjarskyldari forfeðrum.

Arnar Pálsson. „Hversu mörg gen fáum við frá hverjum forföður?“ Vísindavefurinn, 21. mars 2018. http://visindavefur.is/svar.php?id=75186.

Margir núlifandi Íslendingar geta rakið ættir sínar til Egils Skallagrímssonar. En hversu mörg gen fengu þeir í raun frá honum? Við fáum helming gena okkar frá hvoru foreldri. Því leggur amma barnabarni til 1/4 gena, langamma 1/8, langlangamma 1/16 og svona má halda áfram aftur í ættir. Ef við gerum ráð fyrir 40 kynslóðum frá Agli til nútímaafkomenda hans er framlagið 1/1.000.000.000.000. Miðað við að erfðamengi okkar er 6.400.000.000 basar (á tvílitna formi), er ljóst að flestir afkomendur Egils fengu ekki einn einasta basa frá honum!

Með sama hætti má reikna út til dæmis framlag pólska stjörnufræðingsins Kópernikusar (1473-1543) til núlifandi afkomenda hans. Með hliðsjón af erfðum og miðað við 20 kynslóðir þeirra á milli er 1 milljónasti hluti erfðaefnis afkomandans frá Kópernikusi kominn.

En ef við förum stutt aftur í ættir lítur dæmið öðruvísi út. Frá hverri langalangömmu fáum við til dæmis 6,25% af erfðaefni okkar. Það er alvöru framlag. Um 1280 gen af þeim 20.500 sem finnast í erfðamengi okkar, komu frá langalangömmu okkar.

erfdaframlag_stor_090218

Erfðaframlag til afkvæmis, rakið einn ættlegg. Á x-ás eru forfeður stúlkunar teiknaðir og á y-ás erfðaframlag sem hún fær frá hverri formóður á ættleggnum.

Rétt er að taka fram að allar tölurnar hér að ofan eru meðaltöl og öruggt að sumir afkomendur fengu meira erfðaefni frá hverjum forföður og aðrir minna. Ástæðan er sú að stokkun litninga er óregluleg, atburðirnir (endurröðun) sem klippa þá sundur og raða þeim saman aftur eru ekki það margir í hverri kynslóð. Þannig erfast stórir partar af litningum saman í gegnum margar kynslóðir. Af því leiðir að flestir afkomendur Kópernikusar fengu ekkert, en aðrir meira af DNA frá honum.

Stofnerfðafræðingurinn Graham Coop hefur reiknað líkurnar á því að við fáum erfðaefni frá forfeðrum okkar. Eins og sést á seinni myndinni í svarinu er framlag langalangömmu og hennar kynslóðar töluvert, en þegar komið er nokkrum kynslóðum ofar verða áhrif breytileika í endurröðun meiri og líkurnar á að við erfum einhver gen frá forfeðrum okkar dvína hratt. Minni en 50% líkur eru á að forfeður í 9. lið hafi gefið okkur eitt einasta gen og við 14. kynslóð eru líkurnar orðnar minni en 5%.

En framlagið hækkar vitanlega ef forfaðirinn (til dæmis langalangamman í dæminu að ofan) kemur tvisvar eða oftar fyrir í ættartré einstaklings. Og því ofar sem við klifrum í ættartréð, því meiri verða líkurnar á að greinarnar falli saman. Samruni í ættartrjám er ansi algengur og getur af sér forvitnileg mynstur.

Meginniðurstöður:

  • Einstaklingar frá helming gena sinna frá hvoru foreldri.
  • Einstaklingar fá fjórðung gena sinna frá hverri ömmu og afa.
  • Einstaklingar fá sífellt minna erfðaframlag frá forfeðrum þegar klifrað er ofar í ættartréð.
  • Stokkun litninga veldur mikilli dreifni í erfðaframlagi hvers forföðurs ofar í ættartrénu.

Heimildir og mynd:

categories General biology, Vísindavefur - svör

Voru loðfílar erfðafræðilega úrkynjaðir og var útdauði þeirra óhjákvæmilegur?

Arnar Pálsson, 11/04/2017

Loðfílar (Mammuthus primigenius) eru eitt frægasta dæmið um útdauða tegund. Þeir eru skyldir afríkufílnum (Loxodonta africana africana) og áttu tegundirnar sameiginlegan forföður fyrir um 6,2–17,4 milljón árum*. Vísindamenn hafa náð heillegu erfðaefni úr loðfílshræjum sem varðveist hafa í sífreranum. Með nútímatækni er hægt að raðgreina erfðaefnið og skoða erfðafræði og sögu tegundarinnar. Niðurstöður benda til þess að loðfílar á Wrangel-eyju (þar sem síðustu loðfílarnir lifðu) hafi verið erfðafræðilega úrkynjaðir og að ef til vill voru þeirra einu mögulegu örlög útdauði.

Erfðamengi loðfíla

Hver er skyldleiki, fjölbreytileiki og þróunarfræði loðfíla? Mikilvægt skref til að svara þessum spurningum var stigið af Love Dalen við Náttúruminjasafnið í Stokkhólmi og samstarfsmönnum hans sem birtu grein í Current Biology árið 2015 um raðgreiningu á erfðamengi tveggja loðfíla. Annar fíllinn var frá Síberíu og um 45.000 ára gamall – þegar hann lifði var stofninn stór og útbreiðslan mikil. Hinn loðfíllinn er um 4.300 ára og tilheyrði smáum og einangruðum stofni á Wrangel-eyju norðan Síberíu rétt vestan Beringssunds. Eyjan er lítil, flatarmál hennar er aðeins um 7.600 km2. Stofninn var um 500-1.000 dýr og tórði á eyjunni í um 6.000 ár. Wrangel-eyjar var síðasta vígi loðfílanna en talið er að stofninn hafi dáið út fyrir um 3.700-4.000 árum. Rannsóknir hafa sýnt að loðfílarnir á Wrangel-eyju voru um fjórðungi minni en meginlandsfílarnir, en dæmi eru um enn smávaxnari loðfíla á Krít og eyjum undan strönd Kaliforníu**. Þeir dóu þó út mun fyrr.

Ein merkilegasta niðurstaða greinar Dalen og félaga er sú að loðfíllinn á Wrangel-eyju hafði minni arfblendni en loðfíllinn af meginlandinu. Arfblendni er mælikvarði á það hlutfall gena í erfðamengi einstaklings sem eru á arfblendnu eða arfhreinu formi. Ef einstaklingur fær sama eintak af geni frá báðum foreldrum er viðkomandi arfhreinn um það gen. Í flestum tegundum er arfblendni há, margar útgáfur eru til af hverju geni, og einstaklingar arfblendnir um flest eða öll sín gen. Það gefur tegundum þróunarfræðilegt bolmagn til að svara áskorunum framtíðar. Lág arfblendni (það er lítill erfðabreytileiki) er óæskileg. Ef einhver er arfhreinn um mörg gen er líklegt að viðkomandi sé arfhreinn um eina eða fleiri skaðlega samsætu. Þannig birtast genagallar. Innræktun leiðir til minni arfblendni einstaklinga og eykur líkurnar á því að afkvæmi fæðist sem þjáist af genagöllum.

Samspil náttúrulegs vals og stofnstærðar

Stofnerfðafræði fjallar um krafta sem hafa áhrif á erfðabreytileika innan hópa og tegunda. Veigamestu kraftarnir eru stökkbreytingar, hending (genaflökt), stofnstærð, stofnbygging og náttúrulegt val.

Stökkbreytingar leiða til nýs breytileika. Þær geta verið breytingar á stökum bösum, en einnig innskot eða úrfellingar af lengri strengjum, til dæmis vegna svonefndra hoppandi gena (svokallaðra stökkla***) . Ekki eru allar stökkbreytingar eins, sumar eru góðar (fóður fyrir aðlögun), margar eru hlutlausar (hafa engin áhrif á hæfni), en stór hluti er skaðlegur - skemma gen og líffræðileg kerfi (til dæmis virkni hjartans, lyktarskyn, eiginleika húðar og felds og svo framvegis).

Hending hefur áhrif á stofna því myndun kynfruma og pörun einstaklinga er töluverðri tilviljun háð. Hending er eins og teningakast, stundum koma upp fimm sexur - stundum engin. Áhrif hendingar eru mest ef stofnar eru litlir. Þá getur tilviljunin leitt til mikilla breytinga í tíðni gena, jafnvel stökkbreytinga sem eru skaðlegar fyrir tegundina.

Náttúrulegt val er kraftur sem bæði býr til aðlaganir og varðveitir þær. Náttúrulegt val virkar best ef stofninn er stór og býr þannig yfir þeim erfðafjölbreytileika sem þarf til að laga sig að breyttum aðstæðum og það sem er ekki síður mikilvægt, nægilega stór til að að fjarlægja slæmar útgáfur (samsætur) gena.

Uppsöfnun skaðlegra breytinga í loðfílum á Wrangel eyju

Rebekah Rogers og Montgomery Slatkin greindu upp á nýtt gögn Dalen og félaga úr raðgreiningu erfðamengja loðfílanna tveggja, frá Síberíu og Wrangel-eyju. Þau beindu sjónum að hlutfalli slæmra breytinga og leituðu sérstaklega að breytilegum stöðum og úrfellingum á genum eða hlutum þeirra. Niðurstaða þeirra var sú að margskonar erfðagallar voru algengari í Wrangel-loðfílnum en Síberíufílnum. Þau fundu 25% fleiri úrfellingar í erfðamenginu sem eyðilagði eða fjarlægði gen, hærra hlutfall alvarlegra stökkbreytinga og hærra hlutfall hoppandi gena í Wrangel-fílnum.

Niðurstöðurnar eru nokkuð skýrar en samt verður að slá varnagla. Einungis var unnið með tvo einstaklinga, einn úr hvorum stofni. Það er mögulegt að úrkynjað eintak hafi valist frá Wrangel-eyju og heilbrigður fíll frá Síberíu. Það er því nauðsynlegt að kanna erfðaefni fleiri loðfíla og frá öðrum stöðum til að meta hversu traust mynstrið er.

Aðrir stofnerfðafræðilegir eða aðferðalegir þættir geta dregið fram þau mynstur sem sáust í gögnunum. Helsta röksemdin fyrir því að gögnin séu líklega rétt er að þótt mögulegt sé að fá skekkju í eina mælistærð vegna annarra þátta er ólíklegt að fá samskonar skekkju í þær allar. Fyrst allar mælistikurnar benda í sömu átt er líklegt að mynstrið sé raunverulegt.

Spyrja má hvað getur útskýrt þessa uppsöfnun skaðlegra breytinga í stofninum. Ástæðan er að öllum líkindum sú að stofninn var bæði lítill og einangraður í margar aldir og árþúsundir. Stofninn á Wrangel-eyju var líklega aðeins um 500-1.000 dýr vegna takmarkaðs burðarþols eyjunnar. Náttúrulegt val virkar ekki sem skyldi í litlum stofnum þar sem það nær ekki að hreinsa erfðagalla úr stofninum. Ef stofninn er of lítill er hætt við að tíðni slæmra samsæta í stofninum aukist með tímanum og einnig aukast líkur á innræktun og arfhreinum erfðagöllum.

Höfundar rannsóknarinnar, Rogers og Slatkin, álykta að loðfílastofninn á Wrangel-eyju sé dæmi um genahrun (e. genomic meltdown) og spyrja hvort útdauði þeirra hafi verið óumflýjanlegur þar sem erfðamengi þeirra var uppfullt af skaðlegum breytingum og arfblendnin lítil.

Er genahrun líklegt í öðrum stofnum og tegundum?

Lífverur hafa tvær meginleiðir til að aðlagast nýju umhverfi; erfðabreytileika og sveigjanleika. Ef stofninn býr yfir nægilegum erfðabreytileika og er nægilega stór getur náttúrulegt val leitt til aðlögunar hans að nýju aðstæðum. Hin leiðin er sveigjanleiki í atferli, formi eða virkni lífvera. Slík aðlögunarhæfni er innbyggð í lífverur, en mismikil eftir tegundum og hópum. Dýr geta lagast að breytingum í umhverfi með því að færa sig til. Plöntur geta ekki fært sig en margar geta hins vegar breytt vaxtarformi sínu til að bregðast við nýjum aðstæðum, vaxið á einn hátt í miklum þurrki og annan veg í raka. Slíkt finnst reyndar líka meðal dýra, til dæmis í bleikju sem er með eina sveigjanlegustu þroskun sem finnst meðal hryggdýra.

Genahrun eins og virðist hafa orðið í Wrangel-loðfílunum er mögulegt í öðrum tegundum og er líklegast í tegundum sem eru með mjög litla stofnstærð í langan tíma. Samkvæmt líkani Rogers og Slatkin er hætt við að stofnar sem lenda í hringiðu smárrar stofnstærðar og erfðagalla þokist óhjákvæmilega í átt að útdauða.

Vegna áhrifa mannsins á vistkerfi og búsvæði lífvera eru margar tegundir í þeirri stöðu að teljast ógnað eða í beinni hættu á því að deyja út. Lítil arfblendni eins og sást í Wrangel-fílum sést í öðrum tegundum í útrýmingarhættu eins og ljónum, tígrum, tasmaníuskollum, górillum, blettatígrum og ísbjörnum. Nauðsynlegt er að framkvæma álíka greiningar á þeim til að reyna að meta ástand tegundanna og þróunarfræðilegt þrek.

Er hægt að spyrna við genahruni tegunda?

Líklega er besta leiðin til að sporna við genahruni sú að koma í veg fyrir að stofnar villtra tegunda verði of litlir. Einnig þarf að gera ráðstafanir til að draga úr uppskiptingu. Athafnir manna, til dæmis lagning hraðbrauta eða bygging borga, hafa rofið búsvæði með þeim afleiðingum að stofnar einangrast og gen flæða ekki á milli þeirra. Sem dæmi eru simpansar nú klofnir í marga smærri hópa og hafa lítil samskipti, og þar með verður genablöndun þeirra lítil. Við slíkar aðstæður getur genagallahringiða komist í gang og skaðlegar breytingar safnast upp í litlum stofni.

Dýragarðafræðingar vita að innræktun er ógnun við viðgang tegunda. Í dýragörðum eru haldnar ættbækur fyrir fágæt dýr og þau sem eru í útrýmingarhættu, og einstaklingar (eða sæði) eru fluttir garða og landa á milli til að tryggja erfðafræðilegan fjölbreytileika. Reyndar má spyrja hvort að 100 górillur í dýragörðum séu í raun górillur? Er tegundin varðveitt ef hún lifir ekki í sínu náttúrulega umhverfi? Stóra vandamálið er samt sem áður eyðing búsvæða og ofnýting jarðar. Það að flytja ljónasæði milli landa leysir ekki vandann.

Hérlendis er vitað um eina tegund sem hefur dáið út frá landnámi, það er geirfuglinn. Önnur tegund í mikilli hættu er haförninn. Reyndar finnst örninn víðari en á Íslandi en stofninn hér er agnarsmár. Kristinn Haukur Skarphéðinsson á Náttúrufræðistofnun hefur kortlagt stofnstærð hafarnarins á Íslandi síðustu öldina. Stofninn er nú um 150 einstaklingar sem mynda um 70 pör. Af þeim verpa um 35 pör. Á fyrri hluta síðustu aldar var örninn ofsóttur, hreiðrum var steypt og eitruð hræ ætluð refum lögðu marga erni. Fæst voru verpandi pör innan við tuttugu. Spurning er hvort stofninn hérlendis hafi orðið of lítill til að viðhaldast. Það verður að rannsaka með því að greina erfðabreytileika í stofnum hérlendis og ytra.

Samantekt

  • Erfðafræðileg mynstur, genagallar og lág arfblendi benda til erfðafræðilegs hruns í loðfílum á eyju norðan Síberíu.
  • Náttúrulegt val virkar verr í litlum stofnum og nær ekki að hreinsa burt skaðlegar breytingar.
  • Möguleiki er á genahruni í öðrum tegundum með smáa stofnstærð, meðal annars ljónum, górillum og ísbjörnum.

Heimildir og athugasemdir:

  • Palkopoulou E, Mallick S, Skoglund P, Enk J, Rohland N, Li H, Omrak A, Vartanyan S, Poinar H, Götherström A, Reich D og Dalén L. (2015). Complete genomes reveal signatures of demographic and genetic declines in the woolly mammoth. Current Biology. 2015 25 (10):1395-400. doi: 10.1016/j.cub.2015.04.007.
  • Rogers R.L. og Slatkin M. (2017). Excess of genomic defects in a woolly mammoth on Wrangel island. PLoS Genetics. 13(3):e1006601. doi: 10.1371/journal.pgen.1006601.
  • Um náttúrurannsóknir á Wrangel eyju - síða National Geographic.
  • *Mikil skekkja í mati á aðskilnaði loðfíla og afríkufíla er vegna þess að það er byggt á DNA gögnum og að viðmið vantar með aldursgreindum steingervingum.
  • **Leifar dvergvaxta loðfíla hafa fundist á nokkrum eyjum, m.a. á Santa Rosa og öðrum eyjum undan strönd Kaliforníu og á Krít.
  • ***Stökklar eru DNA sníkjudýr, þeir lifa og deyja á DNA formi. Þeir eru aldrei lifandi vera í sjálfu sér, bera einungis upplýsingar sem eru afritaðar og innlimast og fjölga sér.

Pistillinn var ritaður fyrir vísindavefinn, titli var breytt lítillega.

Arnar Pálsson. „Er rétt að loðfílar hafi verið erfðafræðilega úrkynjaðir og var útdauði þeirra óhjákvæmilegur?“ Vísindavefurinn, 6. apríl 2017. http://visindavefur.is/svar.php?id=73765.

Ég vil þakka Leifi Hauksyni og Dagnýju Sveinbjörnsdóttur margfaldlega fyrir hjálpina við pistilinn. Kveikjan var upphringing frá Leifi og samtal okkar í Samfélaginu 7. mars (um uppsöfnun genagalla í loðfílum og örlög tegundanna). Ritstjórn Vísindavefsins tók vel í að fá pistil um loðfílana og hjálpaði mikið með textann.

categories Vísindavefur - svör

Hvernig eru lífsýni rannsökuð í glæparannsóknum og af hverju er ekki hægt að gera það á Íslandi?

Arnar Pálsson, 03/03/2017
Arnar Pálsson. „Hvernig eru lífsýni rannsökuð í glæparannsóknum og af hverju er ekki hægt að gera það á Íslandi?“ Vísindavefurinn, 1. febrúar 2017. http://visindavefur.is/svar.php?id=73299.
Lífsýni (e. biopsy) eru sýni úr lífverum. Uppruni sýnanna er fjölbreytilegur, þau geta verið úr ólíkum lífverum og notagildi þeirra er einnig margháttað, allt frá grundvallarrannsóknum til glæparannsókna. Eins og nafnið gefur til kynna koma lífsýni alltaf úr lífverum eða innihalda lífveruleifar. Algengast er að lífsýni séu úr mönnum en þau geta líka komið úr öðrum tegundum lífvera, til dæmis finkum eða sebrahestum. Hægt er að taka lífsýni úr margskonar vefjum, til að mynda blóði, húð, fæðingarblettum, brjóstavef, meltingarvegi eða lifur. Sýnatakan er misjafnlega auðveld, blóðtaka eða munnstrok eru auðveldust en innri líffæri eru óaðgengileg og mörg hver viðkvæm. Til að ná sýnum er oft notaður sérhæfður búnaður, til dæmis rörmyndavélar með sérhæfðum klippum sem þræða má í meltingarveg og iður. Einnig eru til lífsýnasöfn, til dæmis svonefndar krukkuborgir með vefjasýni eða líffæri úr látnum einstaklingum, eins og sögupersónan Erlendur kynntist í glæpasögunni Mýrinni eftir Arnald Indriðason.

Lífsýni eru mikilvæg í læknisfræði. Hér er beinmergssýni tekið.

Notagildi lífsýna eru margvísleg. Þau eru sérstaklega mikilvæg í læknisfræði, við lögreglurannsóknir og vitanlega í grundvallarrannsóknum í líffræði og skyldum greinum. Í læknisfræði og líffræði eru lífsýni meðal annars notuð til að rannsaka eiginleika fruma, erfðasamsetningu, efnasamsetningu eða jafnvel tjáningu gena í vefjum. Lífsýni eru mikilvæg til að fylgjast með ástandi ólíkra vefja og greina sjúkdóma, til dæmis eru þau notuð til að kanna hvort frumuklasi sé góðkynja eða illkynja æxli. Grunnrannsóknir í líf- og læknisfræði byggja að miklu leyti á lífsýnum, til dæmis er hægt að kanna eiginleika fruma úr ólíkum hlutum hryggsúlunnar með ræktun á tilraunastofu eða þróun með því að skoða erfðabreytileika í stofnum lífvera. Lífsýni eru einnig notadrjúg fyrir rannsóknir á glæpum. Lögregla getur nýtt margskonar lífsýni, til dæmis blóð, hár eða húðflögur af vettvangi glæps, undan nöglum fórnarlambs eða morðvopni. Við glæparannsóknir er langalgengast að greina erfðasamsetningu í lífsýnum og bera þau síðan við gagnagrunna eða sýni úr mögulegum fórnarlömbum eða grunuðum einstaklingum. Bandaríska alríkislögreglan (FBI) notast við 13 lengdarbreytileika (DNA-örtungl) í sínum rannsóknum. Í þessu samhengi má benda á svar sama höfundar við spurningunni Hvernig virka erfðapróf?

Á Íslandi er unnið með margskonar lífsýni en um notkun og meðhöndlun sýna úr mönnum gilda strangar reglur. Vísindasiðanefnd metur umsóknir um rannsóknir, til dæmis á sviði mannerfðafræði. Greiningar á lífsýnum í glæparannsóknum eru bara gerðar á sérstökum rannsóknarstofum. Fyrir þær er krafist strangra öryggisstaðla, sérþjálfaðs starfsfólks, staðlaðra og vottaðra vinnuferla og öryggisventla. Ströng alþjóðleg vottun á slíkum rannsóknarstofum er nauðsynleg, til að tryggja áreiðanleika niðurstaðna svo ekki sé hægt að kasta rýrð á sönnunargögn. Hér á landi er ekki aðstaða fyrir hendi til að greina allar gerðir lífsýna. Á rannsóknastofu Háskólans í lyfja- og eiturefnafræði er hægt að greina til dæmis ólík eiturlyf og alkóhól. Hér er hins vegar engin vottuð aðstaða til að gera erfðapróf á lífsýnum fyrir glæparannsóknir. Rannsóknir sem tengjast þess háttar málum eru því gerðar erlendis.

Samantekt:

  • Lífsýni eru úr lífverum.
  • Þau eru notuð í læknisfræði, líffræði og rannsóknum á glæpum.
  • Hér á landi er hægt að greina nokkrar gerðir lífsýna, en ekki erfðagreina fyrir glæparannsóknir.

Tilvitnanir og myndir:

categories Vísindavefur - svör