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

(English) Differential gene expression during early development in recently evolved and sympatric Arctic charr morphs

Arnar Pálsson, 29/01/2018

Sorry this part has not been translated

categories Publications

(English) Trancriptional co-option, transcriptional decay and the principles of regulatory evolution.

Arnar Pálsson, 19/01/2018

Sorry this part has not been translated

categories Uncategorized

(English) Differential gene expression during early development in recently evolved and sympatric Arctic charr morphs

Arnar Pálsson, 29/09/2017

Sorry this part has not been translated

categories Publications

Geta tveir einstaklingar farið í erfðapróf og fengið að vita hvort þeir séu samfeðra?

Arnar Pálsson, 19/09/2017
Arnar Pálsson. „Geta tveir einstaklingar farið í erfðapróf og fengið að vita hvort þeir séu samfeðra?“ Vísindavefurinn, 13. september 2017. http://visindavefur.is/svar.php?id=74204.
Upprunalega hljóðaði spurningin svona:

Við erum tvö sem erum búin að vera að spá hvort við eigum sama pabbann, við erum nokkuð viss en langar að fá að vita það 100%. Það er ekki mikil hjálp frá mömmu hans þar sem hún vill ekkert segja og pabbi minn eða okkar segir lítið. Okkur finnst mjög dýrt að borga nærri 300 þúsund fyrir DNA-próf og vorum að pæla hvort það sé ekki eitthvað annað sem við getum gert. Ég fékk til dæmis sent heim fyrir einhverju síðan eitthvað DNA-próf sem ég átti að senda suður til að athuga með sjúkdóma. Veist þú hvort það gæti virkað að nota það?

Snögg vefleit leiðir í ljós að margir erlendir aðilar bjóða almenningi upp á erfðapróf og er kostnaðurinn mjög breytilegur. Fólk þarf að verða sér út um réttu áhöldin, taka sýni og senda á fyrirtækið sem skilar niðurstöðum innan tiltölulega stutts tíma. Hins vegar er að ýmsu að hyggja í þessu sambandi eins og nánar er fjallað um í svarinu hér á eftir Við erum öll ólík, í útliti, eiginleikum og genum. Hægt er að greina skyldleika einstaklinga, bæði náinna ættingja og fjarskyldari, með nýlegum aðferðum sem greina breytileika í genum. Erfðapróf byggjast á því að skoða breytilega staði í erfðaefninu, til dæmis basa sem eru ólíkir manna á milli. Með því að skoða nægilega marga staði í erfðaefninu er hægt að staðfesta faðerni, skyldleika og jafnvel uppruna fólks af ólíkum þjóðarbrotum, til dæmis Íslendinga eða Gyðinga samanber svar við spurningunni: Getur einstaklingur vitað hvort hann er Gyðingur með því að taka próf?

Við faðernispróf er erfðapróf framkvæmt til að skera úr um faðerni barns, til dæmis ef fleiri en einn kemur til greina eða ef faðirinn gengst ekki við barninu. Fengin eru sýni úr barninu, móður og mögulegum föður eða feðrum og borin saman með erfðaprófi. Sjaldgæfara er að móðerni barns sé á huldu en í nokkrum tilfellum hefur verið grunur um rugling á nýburum. Erfðapróf á feðrum og mæðrum byggist á samþykki hlutaðeigandi, eða er krafist af dómara til dæmis ef um dómsmál um faðerni eða arf er að ræða. Erfðapróf má einnig nota til að greina skyldleika annarra einstaklinga til dæmis systkina, hálfsystkina eða tvímenninga. Því geta tveir einstaklingar farið í erfðapróf til þess að fá að vita um skyldleika sinn, til að mynda hvort þeir séu samfeðra eða sammæðra. Erfðapróf eru tæknilega flókin og kosta peninga. Niðurstöðurnar eru áreiðanlegastar þegar prófið er framkvæmt á vottaðri rannsóknarstofu af sérfræðingum. Á undanförnum áratug hefur framboð aukist á ódýrum einnota erfðaprófum sem nálgast má í lyfjaverslunum eða á Netinu. Því fylgja margvísleg álitamál og er áreiðanleikinn veigamestur. Einnota erfðapróf eru ónákvæmari en próf unnin á vottaðri rannsóknastofu. Með auknu framboði einnota erfðaprófa og nýjum fyrirtækjum sem bjóða upp á erfðaprófunarþjónustu fylgja líka nýjar áskoranir. Þær tengjast meðal annars friðhelgi einstaklinga og ófyrirséðum niðurstöðum.

Með auknu aðgengi að erfðaprófum opnast möguleikinn á að fólk skoði sín eigin gen, en einnig annarra (ef lífsýni er til staðar). Nothæfu erfðaefni fyrir erfðapróf má ná úr margs konar lífsýnum, úr líkamsvessum, svita eða öðrum hlutum líkamans. Ekki er tryggt að leikmenn virði alltaf réttindi samborgara sinna og fái samþykki fyrir notkun lífsýna í erfðaprófi. Innan Evrópu hafa ólík lög um notkun erfðaprófa verið samþykkt eða eru í vinnslu. Í Frakklandi má til dæmis ekki nota erfðapróf nema með samþykki dómskerfisins. Fjöldi fólks í Bandaríkjunum sendir sýni til fyrirtækja fyrir erfðapróf vegna greiningu á sjúkdómsáhættu. Mörg þeirra bjóða líka upp á greiningar á uppruna einstaklinga þar sem fólk getur grennslast fyrir um sínar erfðafræðilegu rætur. Spyrja má: „Eru forfeður mínir frá Hornvík eða eyjunni Skye?“ Í alræmdustu tilfellum er þetta markaðssett sem eins konar gena-stjörnumerki þar sem uppruninn skilgreinir persónuna og einkenni hennar. En erfðapróf fyrir mögulegum sjúkdómsgenum getur líka afhjúpað óþægilegar staðreyndir. Nýleg grein í veftímaritinu Slate fjallaði um hvernig leyndarmál geta afhjúpast ef ættingjar senda inn sýni og bera saman gögnin. Tekið var dæmi um systkini sem sendu sýni til greiningar og í kjölfarið fjölgaði feðrum í fjölskyldunni um einn. Systkinin voru hálfsystkin og fréttirnar hrintu af stað tilfinningum, uppljóstrunum og uppgjöri. Á tímum þar sem aðgangur að erfðaupplýsingum og erfðaprófum er að aukast er mikilvægt að fólk hafi aðgang að sérhæfðri þekkingu og ráðgjöf. Sú ráðgjöf er ekki í boði hjá fyrirtækjum sem vilja græða á erfðafræðilegri nauðhyggju eða gena-stjörnumerkjum. Þau hafa engan áhuga á að upplýsa fólk um óvissuna í tilurð mannlegra eiginleika eða ættartrjám manna, afleiðingar þess að uppgötva að bróðir þinn er ættleiddur eða þú skyldari frænku en þig grunaði. Sérfræðiþekkingu er hægt að nálgast hjá erfðaráðgjöf og félagsráðgjöf Landspítala. Spyrjandi fékk DNA-próf sent í pósti, sem átti að senda til að athuga með sjúkdóma og velti fyrir sér „hvort það gæti virkað að nota það“ til að ganga úr skugga um faðerni. Fyrirtæki eða rannsóknastofnanir biðja fólk iðulega um að taka þátt í erfðarannsóknum á tilteknum sjúkdómum. Gögnin úr þeim rannsóknum geta svarað fleiri spurningum en þeirri sem lagt var upp með, til dæmis um skyldleika einstaklinga. Fólk fær ekki aðgang að niðurstöðum úr erfðagreiningum á þeim sjálfum, og alls ekki upplýsingar um aðra einstaklinga. Það er því ekki hægt að taka þátt í erfðarannsókn til að kanna skyldleika sinn við einhverja aðra. Samantekt:

  • Tveir einstaklingar geta farið í erfðapróf og vitað hvort þeir séu samfeðra eða sammæðra.
  • Öruggast er að fá erfðapróf og faðernispróf framkvæmd af viðurkenndum aðilum.
  • Notkun erfðaprófa í gegnum Netið getur afhjúpað fjölskylduleyndarmál með réttu eða röngu.

Heimildir og frekari fróðleikur:

categories General biology

Tilnefningar óskast, fyrir heiðursverðlaun líffræðifélagsins

Arnar Pálsson, 22/08/2017

Dagana 26. - 28. október 2017 verður haldin haustráðstefna Líffræðifélags Íslands. http://biologia.is/liffraediradstefnan-2017/

Árið 2011 var tekinn upp sá siður hjá félaginu að heiðra líffræðinga fyrir góða frammistöðu. Nú verða þau verðlaun veitt í fjórða sinn.

Skipuð hefur verið valnefnd: Bjarni Kristófer Kristjánsson, Hrönn Egilsdóttir, Arnar Pálsson og Guðmundur Eggertsson, og óskar nefndin eftir tilnefningum frá félagsmönnum.

Veitt verða tvenn verðlaun: annars vegar verðlaun vegna vel lukkaðs ferils í líffræði og hinsvegar verðlaun til ungs og upprennandi líffræðings sem sýnt hefur góðan árangur við upphaf ferils síns.

Sendið tilnefningar til Bjarna: bjakk@holar.is

categories General biology

(English) Nordic Committee on Bioethics Conference: Facing Death - End of life decisions

Arnar Pálsson, 15/08/2017

Sorry this part has not been translated

categories Uncategorized

(English) Session on bioethics at NeIC 2017

Arnar Pálsson, 09/05/2017

Sorry this part has not been translated

categories Pistlar um vísindi, Erindi og viðburðir

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