Foreldreløse (orphan)-gener

Om Orphan (‘foreldreløse’) gener – Hva er det store problemet for evolusjon?
Ann Gauger; 6. november 2018
Oversatt herfra.

Bilde 1: Lauvkutter maur i Wilhelma Zoo, Tyskland, av Pjt56 [ CC BY-SA 4.0 ], fra Wikimedia Commons.

Orfan gener – gener som er tilstede i bare en art, eller en gruppe nært beslektede arter – er av særlig interesse for talsmenn for intelligent design. Årsaken til dette har å gjøre med forutsetningene for evolusjonær biologi.

Den viktigste evolusjonære formodningen er felles avstamning, at alt liv nedstammer fra én eller noen få forfedre. Som følge av dette, og tatt som bevis for dette, er antakelsen om at alt liv deler felles DNA. Før tilblivelsen av utbredt genomsekvensering, ble det antatt at levende organismer delte gener, at det var et sett med felles ‘husholdnings’-gener, og et sett av gener som var spesifikke for en taksonomisk gruppe, selv om disse ville være få i antall. Det ble antatt at det store flertallet av gener ville bli funnet atskillige steder i genomene til levende organismer. Grunnen? Det ble antatt at det var vanskelig å få til nye gener, og når en brukbar løsning ble funnet, ville den bli bevart i etterkommerne som fulgte. Hovedparten av gener ville ha blitt oppfunnet tidlig i utviklingen, og ville dermed bli bredt delt videre.

Da alt endret seg
Men alt det endret seg da mange genom ble sekvensert og deres transkripsjoner ble analysert. Hvert genom, eller hver taksonomisk gruppe, som toskallede skalldyr –her, eller insekter –her, ble funnet å inneholde unike gener, som bare fantes i den gruppen eller arten. Dette var en overraskelse. Først ble det tilskrevet ufullstendig prøvetaking. I det flere genom ble sekvensert, ble det antatt at unikheten ville vise seg å være illusorisk. Andre organismer ville bære disse genene. Som en relatert forklaring, kunne sparsommeligheten av fordelingen skyldes horisontal genoverføring, eller til gentap. Hypotesen var at det som syntes å være unikt, var så fordi det var resultatet av en sjelden overføring mellom arter, og vi hadde ikke identifisert kilden. Eller det som en gang var utbredt, hadde gått tapt over evolusjonær tid.

Disse forklaringene viser seg ikke sanne. For det første, jo flere genom som er sekvensert, jo mer skulle andelen av foreldreløse gener krympe, da flere og flere “foreldreløse” skulle vise seg å være tilstede i andre genom. Men det har ikke vist seg å være tilfelle. Berget av foreldreløse gener vokser, ikke minker. På samme måte medførte ikke horisontal genoverføring etterkommere. Søstergenene til foreldreløse burde ha blitt funnet med økt prøvetaking, noe som skulle reduserte andelen av foreldreløse gener. Når det gjelder gentap som en forklaring, må det være for massivt til å være realistisk for å redegjøre for mønstrene som er sett.
En siste mulighet. Foreldrene kan være relatert til andre gener, men deres sekvenser kunne ha divergert så mye til å bli ukjennelige. Bare deres proteinstrukturer kan avsløre i hvilken grad de er relaterte. Dette har heller ikke blitt påvist i studier som bestemmer strukturer til foreldreløse proteiner.

Et dyp endring i evolusjonær tenkning

Så hva er løsningen? Hvis du er en evolusjonær biolog, er det enkelt. Du bestemmer deg for at det må være enkelt å få nye gener direkte fra tilfeldig (ikke-kodende) DNA, eller ved rammeskift eller overlappende gener (som utgjør tilfeldig rekkefølge). Dette representerer en dyptgående endring i evolusjonær tenkning.

Hold an litt. Å si at det er lett å få nye gener fra DNA ved disse metodene, velter om på en stor darwinistisk forventning. I 1977, i sin berømte artikkel “Evolution and Tinkering”, som er sitert mange tusen ganger, forklarte nobelprisvinner Francois Jacob det aksepterte syn om hvordan evolusjonen konstruerte nye gener:
… når livet først hadde begynt i form av noen primitive selvreproduserende organismer, måtte videre utvikling fortsette gjennom endringer av eksisterende forbindelser. Nye funksjoner utviklet nye proteiner som dukket opp. Men disse var bare variasjoner av tidligere temaer. En sekvens av tusen nukleotider koder for et mellomstort protein. Sannsynligheten for at et funksjonelt protein vil opptre de novo ved tilfeldig sammensetning av aminosyrer, er praktisk talt null. I organismer som er komplekse og integrerte som de som allerede levde for lenge siden, kunne ikke opprettelsen av helt nye nukleotidsekvenser være av betydning for produksjonen av ny informasjon. [P. 1164; kursivering lagt til.]

Nye gener må oppstå fra allerede eksisterende gener, og etterlate signalet av sitt opphav i deres nært relaterte (dvs. homologe) sekvenser, fordi sannsynligheten for alternativet er “praktisk talt null”. Det er derfor oppdagelsen av foreldreløse gener som ikke viser homologi til andre sekvenser, kom som en stor overraskelse.

Ikke noe problem, sier du?
“Ikke noe problem. Er det ikke hva vitenskap skulle tenke på?” Sa en evolusjonist til meg. “Tilpasning av teorien din til å stemme med fakta?”
Vel, teorier må også kunne falsifiseres. De kan bare tøyes så og så langt.

Så hvordan kan vi fortelle om gener er enkle eller vanskelige å danne? Ved å teste disse alternativene i laboratoriet.
For tiden er den foretrukne teorien for fødsel av nye gener å ta et strekk av DNA, som for tiden ikke blir transkribert til RNA, og la det få de signaler som er nødvendige for transkripsjon, da har det nye transkriptet en funksjon, enten som RNA eller etter å ha blitt oversatt til protein.
Dette er faktisk hvordan mange foreldreløse gener er funnet. Et RNA-transkripsjon er laget i en art, fra et DNA-strekk som ikke lager RNA i en søsterart. Ytterligere arbeid bestemmer da om RNA er omdannet til protein, og til slutt, om proteinet har en funksjon.
Men for at dette scenariet for skapelse av foreldreløs gener skal virke, må funksjonelle proteinsekvenser være lette å anskaffe, innenfor rekkevidde av et evolusjonært søk som starter fra et eksisterende ikke-funksjonelt DNA-strekk. Evolusjonister har en tendens til å tro at en slik ting skjer lett. Evolusjonære prosesser kan enkelt produsere et nytt gen eller en struktur eller en kjemisk aktivitet. Dette må være sant hvis evolusjonære prosesser er forklaringen til foreldreløse gener.

Sjeldenheten av funksjonelle proteinfold
I motsetning til dette tror ID-talsmenn at det er svært vanskelig å få funksjonalitet fra tilfeldig rekkefølge. Det er en klar grunn til dette. Eksperimenter av Dr. Douglas Axe målte sjeldenheten av funksjonelle proteinfeller i sekvensrommet (kun 1 av (10^77) proteiner danner en fold med en målfunksjon, et veldig, veldig, veldig lite tall). Hvis funksjonelle proteiner er svært sjeldne i sekvensrommet, gjør det det svært vanskelig å få nye gener eller strukturer eller kjemiske aktiviteter. Andre har funnet lignende svar når de ber om kravene til å produsere en enzymatisk aktivitet. Andre igjen, når du ber om enkle typer aktiviteter, som å knytte seg til en spalte lastet med et substrat som ATP, får man tall som er tenkelig innenfor rekkevidden til evolusjonære prosesser. Bare å knytte seg til en spalte er ikke like krevende som å utføre en enzymatisk reaksjon.

Det er sterke synspunkter om påliteligheten til de ulike metodene. Hvordan de ulike forsøkene dømmes har en tendens til å bli påvirket av ens syn på evolusjonære spørsmål. Så det beste er å gjøre flere eksperimenter, som nettopp er hva det vitenskapelige samfunn gjør.

Arbeid pågår nå i mange laboratorier for å teste spørsmålet om hvor vanskelig det er å få et foreldreløst gen fra en ikke-kodende sekvens. Noen spør hvor vanskelig det er å få en promotor (nødvendig for å fremme aktiv transkripsjon). Noen spør hvor sannsynlig det er for en tilfeldig sekvens å ha funksjon. Kjernepunktet, bokstavelig talt, synes å være at tilfeldige sekvenser ikke brettes riktig og er uoppløselige i vann. De aggregerer seg. Det gjør det vanskelig for alle typer funksjoner for å si det mildt. Til slutt, hvor sannsynlig er det at funksjon faktisk vil være nyttig? Vi får se.

Svaret er ikke tilgjengelig. Hvis Doug Axe har rett (og husk, han er ikke den eneste forskeren som har funnet ut at funksjonsproteiner er svært sjeldne i sekvensrommet), blir det ekstremt usannsynlig å få et foreldreløst gen ved en evolusjonær prosess. Men foreldreløse gener er mulige, kanskje til og med å bli forventet, når en designende intelligens virker.

Tager: ATPDNAfunksjongenom-sekvenseringorphan-generproteinfoldersekvensrommet.

Oversettelse og bilder ved Asbjørn E. Lund