Evoluční vývojová biologie: Kuřata se zuby

Když děti říkají, že se chtějí stát vědci, obvykle to znamená, že chtějí dělat výbuchy v laboratoři, nechat se pokousat radioaktivní opicí, aby se proměnily v děsivou bojovou opici. Vyrobit mouchu s očima na zadku nebo kuře s tesáky. Většinu času tohle vědci nedělají. Můžete něco vyhodit do vzduchu, ale to bude v kontrolovaných podmínkách, nebo při nehodě, a to je špatné. Laboratoř, kde jsem začínal. První laboratoř, kde jsem pracoval, měla na stropě krvavou skvrnu. Ale když jste vědec v novém úžasném oboru evoluční vývojové biologie, můžete se dostat k vytváření očí na muším zadku, nebo dokonce kuřat se zuby, ale žádné bojové opice! (veselá znělka) Takže, evoluční vývojová biologie, neboli vývojovka pro nás frajery, je nová věda, která se dívá hluboko do našich genů a zjišťuje, jak ve skutečnosti naše geny řídí tvorbu různých částí našich těl, a jak jméno napovídá, dává nám žhavá vodítka k základním mechanismům evoluce. Odkrývá úžasnou věc, že všichni živočichové jsou si mnohem podobnější, než jsme si mysleli. Určitě jste už slyšeli, že lidé a šimpanzi si jsou z 98,6 % geneticky podobní. To dává smysl, že? Šimpanzi a lidé si jsou tak nějak podobní. Jako když v kavárně sedí šimpanz v křesle a má na hlavě klobouk nebo něco podobného, můžete si ho na moment splést s člověkem. Možná si ho ani nevšimnete. To je možné, ale co myš? Nespletete si myš s člověkem. Jak myslíte, že jsme si geneticky blízcí s myší? Co třeba 85% podobnost? (Hlas v pozadí: „To není možný!“) A to teda je! Lidé a myši jsou z 85 % geneticky stejní. Tak proč jsou myši malé, vystrašené, bílé, chlupaté, s kulatýma očkama, zatímco já umím chodit vzpřímeně a mám krásný, hluboký a tajemný pohled? Dlouze odpovím za chvíli, ale nyní ve zkratce: Je to způsobené neskutečně divnými a úžasně mocnými vývojově regulačními geny. Když mluvíme o genech, myslíme věci, které kódují nějaké užitečné enzymy nebo bílkoviny, jako ty, které určují vzhled našich kotníků. Ale tyhle geny se nezapínají a nevypínají náhodně. Musí je něco zapnout nebo vypnout. To je to, co dělají právě vývojově regulační geny. Zapínají geny, které dávají jednotlivé části těla dohromady. Neříkají dalším genům, jak mají co dělat. Jen jim řeknou, kdy a jestli je už čas začít pracovat. A protože všechno startují, regulační geny pracují hned od začátku od vývoje embrya. Například regulační geny, kterým se říká segmentační, říkají blastule, duté kuličce z buněk, která se vytváří na začátku vývoje, vytvoř si ústa tady a zadek dej na opačný konec. Asi nejúžasnější druh regulačních genů jsou homeotické geny či hox geny, které začnou pracovat, když je embryo už vyvinutější. Hox geny doslova kontrolují správnost jednotlivých částí těla, určují, jak bude zvířecí tělo postavené. Třeba: tady na to místo dejte nohu a sem namontujte ocas. Jak jsem řekl, hox geny neříkají, jak vyrobit nohu nebo ocas. Na to je spousta dalších genů, které mají na starosti přímo výrobu částí těl. Představte si hox geny jako hlavní architekty budovy. Mají plány stavby, ale sami to nemontují. To jde úplně mimo ně. Pod touhle nejvyšší řídicí úrovní jsou zástupy dalších genů, které fungují jako subdodavatelé. Když hox gen řekne: „Udělejte tady oko.“ Jeho podřízený se otočí, aby řídil další regulační geny přesnějšími instrukcemi: „Tady musíme dát kolagen, kvůli vnější vrstvě oka. A udělejte nějaké nervy pro sítnici přímo tady.“ A dále druhá úroveň genů a třetí a čtvrtá a pořád dál. Ve skutečnosti nepracují přímo. Jen posílají řetězově příkazy dál a postupně přidávají přesnější návody. Je to skutečně pevná hierarchie. Žádný z genů ve vašem těle, kromě těch úplně prvních, nedělá nic, dokud se nedozví, kdy a jak moc má pracovat. Protože vím, že jste inteligentní a zvědaví studenti, vím, co vás právě teď zajímá. Co zapíná první regulační gen a jak, u Billa McGuinnesse, si navzájem řeknou, že je čas? Protože vývojovka je vcelku nová disciplína, nevíme všechno, co bychom chtěli vědět. To už je úkol pro vás, až se stanete biology. Vědci si začínají uvědomovat, že spousta lidského genomu, který doteď považovali za odpadní DNA, protože vypadala, že nic nekóduje, mohou ve skutečnosti být regulační geny. Třeba jen během posledních pár let jsme objevili, že lidé mají okolo 230 různých hox genů ve svém genomu. Ty se vyskytují v každém z našich chromozomů, i v pohlavních chromozomech. Jak jsou tyto geny děděny teprve zjišťujeme, zatím si vědci myslí, že většina regulačních genů se dědí stejně jako ostatní geny, ale některé regulační geny pro první fáze vývoje, tedy proteiny, které mají za úkol prvotní genové produkty, jsou vyrobeny a nachází se ve vajíčku ještě před oplozením a čekají, aby řekly embryonálním buňkám, jak tvořit kouli. Další věc, co pro vás máma udělala, a vy jste jí asi ani nepoděkovali. Další zajímavá věc, ač je většina regulačních genů děděna, každý jedinec svého druhu má stejný úsek DNA ve svých genech. Nejsou zde ani odlišné alely. A když se nad tím zamyslíte, musí být stejné, protože každý jedinec svého druhu je postaven dle základního plánu. Proto jste nikdy neviděli lidi s palci na hlavě. To mě přivádí zpět k mému kamarádovi s korálkovýma očima, myši. Hox geny a další regulační geny nejvyššího stupně v hierarchii, co říkají, kam dát hlavu a kam oko, jsou stejné nejen u stejného druhu, ale také hodně podobné u různých druhů Například u všech savců či dokonce všech obratlovců. Rozdíl mezi mými a myšími regulačními geny jsou až někde hluboko dole v řetězci příkazů, kde jsou příkazy nejpřesnější, ale ty hlavní rysy, jako že jsme obratlovci, máme čtyři končetiny, vlasy, prsní tkáně a ušní kůstky, a to co mají všichni savci, tyto základní příkazy jsou stejné. A proto jsme si z 85 % podobní s myší. Myšima, myšma, myšema, myšima. (piano) Protože jste byli trpěliví, mám pro vás překvapení. Vytvoříme oči na zadku. V roce 1995 ve skvělém a zároveň zvráceném pokusu, vzal tým vědců ve Švýcarsku hox gen z embrya myši, ten, který řídí, kde mají být oči, a vložil ho do DNA embrya octomilky, ale aktivovali myší gen oční bulvy v místě, kde by tato muška měla mít zadní nohu. A co se stalo? Neřeknu. Hádejte. Špatně. Nevyrostla jí myší oční bulva vedle zadní nohy. Vyrostlo jí její oko vedle její zadní nohy. Pamatujte, gen neřekl, jak oko udělat, jen řekl, aby se udělalo oko. Kdyby řekl, jak oko udělat, vyrostlo by jí myší oko vedle nohy. Místo toho gen řekl muším buňkám, kde mají oko udělat. A tyto muší buňky měly vlastní návod řízený jinou sadou regulačních genů. A jakmile měly udělat oko, udělaly to podle vlastních příkazů. Je to trošku zarážející, ale také úžasné. Mimo to že mě to dostalo zpátky k mému vnitřnímu malému bláznivému vědci, tento typ pokusu pro vývojovku začal měnit naše chápání evoluce. Víme, že evoluce se odehrává po dlouhou dobu, ale nikdy jsme nepřišli na to, jak se někdy odehrává strašně rychle. Typický příklad, jak vědci vysvětlovali evoluci, byl pomocí genetických mutací, ale organismus by musel hodně mutovat, aby se vyvinul dinosaurus v ptáka. Myslelo se, že 50% změna tvaru těla by vyžadovala 50% mutace v genech, což by trvalo hodně dlouho. Mnohem pomaleji než rychlost, jakou se věci reálně vyvíjí. Ukázalo se, že malá změna v regulačním genu na vrcholu řetězce příkazů má obrovský vliv na to, jak organismus ve finále vypadá. Abychom to pochopili, podívejme se, proč ptáci nemají zuby. Ptáci se vyvinuli z teropodů, těch prima dinosaurů, jako velociraptoři, kteří vypadali docela jako ptáci, ale mnohem víc úžasně, a měli velké ostré zuby, ale asi jste si všimli, že ptáci nemají ostré zuby. Mají zobáky. Podle starých názorů o evoluci by ztráta zubů musela nastat velmi pomalu, kdy geny tvořící sklovinu by postupně mutovaly a tvořily by stále méně a méně skloviny, až by netvořili žádnou. Už dávno jsme si mysleli, že se ptáci vyvinuli z dinosaurů, ale byl tu jeden problém. Trvalo by totiž déle těmto mutacím, aby nastaly, než vývoj dinosaurům v ptáky, jak dokládají fosilie. Naštěstí vývojovka nabízí vysvětlení. Jediná mutace v regulačním genu mohla zastavit tvorbu skloviny a další mutace jiného regulatorního genu podpořila tvorbu množství kreatinu pro výrobu pár šupin na kreatin pro tvorbu zobáku. Takže ptáci pořád mají geny pro zuby po svých dinosauřích předcích. Akorát nejsou uplatněny, regulační geny je nezapnou. Jak to víme? V roce 2006 biolog na Univerzitě ve Wisconsinu, John Fallon, který studoval defekty při porodech, studoval zmutovaná kuřecí embrya a všiml si, že se vytvořily malé zoubky jako mají mláďata plazů. Ukázalo se, že mutace ovlivnily regulační geny kuřat pro zuby, které byly naposledy aktivní před 60 miliony let. Prostě se vrátí zpět. Podobné bláznivé návraty vlastností byly pozorovány u hadů rodících se s nohami, které měli jejich předci, nebo slepé jeskynní ryby rozené s očima. Když tyto geny zapnete, vlastnosti předků se navrátí. Šílené, já vím. Je to tak fascinující. Já prostě...to je... Jsou to nové poznatky, mám je pořád v hlavě. Je to užasoúchvatné. To slovo jsem právě vymyslel.