Dlaczego ludzie nie mają ogonów? Naukowcy znajdują odpowiedzi w nieprawdopodobnym miejscu

Ogony są przydatne na wiele sposobów, ale - w przeciwieństwie do tych małp koczkodanów przedstawionych w Parku Narodowym Lake Mburo w Ugandzie - najbliżsi naczelni krewni ludzi stracili te części ciała około 25 milionów lat temu. Zdjęcie: imageBROKER/Shutterstock

Ludzie mają wiele wspaniałych cech, ale brakuje nam czegoś, co jest wspólną cechą większości zwierząt z kręgosłupem: ogona. To, dlaczego tak się stało, pozostaje zagadką.

Ogony są przydatne do utrzymania równowagi, napędu, komunikacji i obrony przed gryzącymi owadami. Jednak ludzie i nasi najbliżsi naczelni krewni - małpy człekokształtne - pożegnali się z ogonami około 25 milionów lat temu, kiedy grupa ta oddzieliła się od małp Starego Świata. Utrata ta od dawna wiązała się z naszym przejściem na dwunożność, ale niewiele było wiadomo na temat czynników genetycznych, które spowodowały brak ogona u naczelnych.

Niedawno naukowcy przypisali utratę ogona krótkiej sekwencji kodu genetycznego, która jest powszechna w naszym genomie, ale przez dziesięciolecia była uznawana za zbędne DNA, sekwencję, która pozornie nie służy żadnemu biologicznemu celowi. Zidentyfikowali oni fragment, znany jako element Alu, w kodzie regulacyjnym genu związanego z długością ogona zwanego TBXT. Alu jest również częścią klasy znanej jako skaczące geny, które są sekwencjami genetycznymi zdolnymi do zmiany lokalizacji w genomie i wywoływania lub cofania mutacji.

W pewnym momencie naszej odległej przeszłości element Alu AluY wskoczył do genu TBXT u przodka hominoidów (małp człekokształtnych i ludzi). Kiedy naukowcy porównali DNA sześciu gatunków hominoidów i 15 naczelnych niehominoidalnych, znaleźli AluY tylko w genomach hominoidów, naukowcy donieśli 28 lutego w czasopiśmie „Nature”. Ponadto w eksperymentach z genetycznie zmodyfikowanymi myszami - proces ten trwał około czterech lat - majstrowanie przy wstawkach Alu w genach TBXT gryzoni skutkowało zmienną długością ogona.

Przed tym badaniem: „istniało wiele hipotez na temat tego, dlaczego hominidy wyewoluowały, aby być bezogoniastymi”, z których najczęstsze łączyły brak ogona z wyprostowaną postawą i ewolucją chodzenia dwunożnego, powiedział główny autor badania Bo Xia, pracownik naukowy w Gene Regulation Observatory i główny badacz w Broad Institute of MIT oraz Harvard University.

Jeśli jednak chodzi o dokładne określenie, w jaki sposób ludzie i małpy człekokształtne straciły ogony: „nie było (wcześniej) nic pewnego ani hipotetycznego” - napisał Xia w e-mailu do „CNN”. „Nasze odkrycie jest pierwszym, które proponuje mechanizm genetyczny” - stwierdził.

Ponieważ ogony są przedłużeniem kręgosłupa, odkrycia mogą mieć również wpływ na zrozumienie wad rozwojowych rdzenia kręgowego, które mogą wystąpić podczas rozwoju ludzkiego płodu, zgodnie z badaniem.

„Jeden z miliona”

Przełomowy moment dla naukowców nastąpił, gdy Xia przeglądał region TBXT genomu w internetowej bazie danych, która jest szeroko stosowana przez biologów rozwojowych, powiedział współautor badania Itai Yanai, profesor w Instytucie Genetyki Systemów oraz Biochemii i Farmakologii Molekularnej w New York University Grossman School of Medicine.

W badaniu, genetycznie zmodyfikowane myszy charakteryzowały się różną długością ogona: od braku ogona do długiego ogona. (Strzałki podkreślają różnice w fenotypach ogonów. „cv” to „kręgi ogonowe”; „sv” to „kręgi krzyżowe”; „WT” to „typ dziki”). Zdjęcie: Itai Yanai

„To musiało być coś, na co patrzyły tysiące innych specjalistów od genetyki - powiedział Yanai w wywiadzie dla CNN. - To niesamowite, prawda? Że wszyscy analizują to samo, a Bo zauważył coś, czego oni wszyscy nie zauważyli”.

Elementy Alu występują licznie w ludzkim DNA; insercja w TBXT jest: „dosłownie jedną z miliona, które mamy w naszym genomie” - powiedział Yanai. Ale podczas gdy większość badaczy uznała insercję Alu w TBXT za zbędne DNA, Xia zauważył jej bliskość do sąsiedniego elementu Alu. Podejrzewał, że jeśli się sparują, może to uruchomić proces zakłócający produkcję białka w genie TBXT.

„To stało się błyskawicznie. Następnie potrzeba było czterech lat pracy z myszami, aby to przetestować” - powiedział Yanai. W swoich eksperymentach naukowcy wykorzystali technologię edycji genów CRISPR do hodowli myszy z insercją Alu w genach TBXT. Odkryli, że Alu sprawił, że gen TBXT wytwarzał dwa rodzaje białek. Jedno z nich prowadziło do krótszych ogonów; im więcej tego białka wytwarzały geny, tym krótsze były ogony.

Odkrycie to dodaje do rosnącej liczby dowodów na to, że elementy Alu i inne rodziny skaczących genów mogą wcale nie być „śmieciami”, powiedział Yanai. „Chociaż rozumiemy, w jaki sposób replikują się one w genomie, jesteśmy teraz zmuszeni zastanowić się, w jaki sposób kształtują one również bardzo ważne aspekty fizjologii, morfologii i rozwoju - powiedział. - Myślę, że to zdumiewające, że jeden element Alu - jedna mała, drobna rzecz - może doprowadzić do utraty całej części ciała, takiej jak ogon”.

Xia dodał, że skuteczność i prostota mechanizmów Alu wpływających na funkcje genów były zbyt długo niedoceniane. „Im więcej badam genom, tym bardziej zdaję sobie sprawę, jak niewiele o nim wiemy” - powiedział Xia.

Bezogoniaste i żyjące na drzewach

Ludzie nadal mają ogony, gdy rozwijamy się w łonie matki jako płody; ten mały wyrostek jest pozostałością po ogoniastym przodku wszystkich kręgowców i obejmuje od 10 do 12 kręgów. Jest on widoczny dopiero od piątego do szóstego tygodnia ciąży, a w ósmym tygodniu płodu ogon zwykle zanika. Niektóre dzieci zachowują embrionalną pozostałość ogona, ale jest to niezwykle rzadkie, a takie ogony zazwyczaj nie mają kości i chrząstki i nie są częścią rdzenia kręgowego, jak podał inny zespół naukowców w 2012 roku.

Ale podczas gdy nowe badanie wyjaśnia „jak” utraty ogona u ludzi i małp człekokształtnych, „dlaczego” jest nadal kwestią do wyjaśnienia, powiedziała antropolog biologiczna Liza Shapiro, profesor na wydziale antropologii na University of Texas w Austin. „Myślę, że naprawdę interesujące jest ustalenie mechanizmu genetycznego, który mógł być odpowiedzialny za utratę ogona u hominoidów, a ten artykuł stanowi cenny wkład w ten sposób” - napisała „CNN” w e-mailu Shapiro, która nie była zaangażowana w badania.

Skamieniałości pokazują, że starożytny człekokształtny Proconsul africanus, na ilustracji powyżej, był bez ogona mieszkającym w drzewach. Grafika: Muzeum Historii Naturalnej/Alamy Stock Photo 
„Jednak, jeśli była to mutacja, która losowo doprowadziła do utraty ogona u naszych przodków, nadal to budzi pytanie, czy mutacja była utrzymywana, ponieważ była korzystna funkcjonalnie (adaptacja ewolucyjna), czy po prostu nie była przeszkodą” - powiedziała Shapiro, która bada, w jaki sposób poruszają się człekokształtne i jaką rolę w tym odgrywa kręgosłup. 
Kiedy starożytne małpy zaczęły chodzić na dwóch nogach, nie miały już ogonów. Najstarszymi członkami rodziny hominidów są wczesne małpy Proconsul i Ekembo. (znalezione w Kenii i datowane na 21 milionów lat temu i 18 milionów lat temu). Skamieliny pokazują, że chociaż te starożytne człekokształtne nie miały ogona, były mieszkańcami drzew, które chodziły na czterech kończynach z poziomą postawą ciała, jak współczesne małpy, powiedziała Shapiro. 
„Tak więc najpierw utracony został ogon, a następnie ewoluował sposób przemieszczania się,  kojarzony ze współczesnymi małpami – powiedziała Shapiro.- Wciąż jednak nie pomaga nam to zrozumieć, dlaczego ogon został utracony na pierwszej kolejności”. Pojęcie, że pionowe chodzenie i utrata ogona były funkcjonalnie powiązane, przy czym mięśnie ogona zostały przekształcone w mięśnie dna miednicy: „jest starym pomysłem, który NIE jest zgodny z analizą skamielin” - dodała. „Ewolucja działa na bazie tego, co już istnieje, więc nie powiedziałabym, że utrata ogona pomaga nam zrozumieć ewolucję ludzkiego dwunożnego chodu w sposób bezpośredni. Pomaga nam jednak zrozumieć nasze małpich przodków” - dodała.

Ogon tak stary jak czas 

Dla współczesnego człowieka ogony to odległe wspomnienie genetyczne. Historia naszych ogonów jest daleka od końca i naukowcy mają wciąż wiele do zbadania o utracie, powiedział Xia. 
Przyszłe badania mogłyby wykazać inne konsekwencje elementu Alu w TBXT, takie jak wpływ na rozwój i zachowanie ludzkiego płodu, sugerował. Chociaż brak ogona jest najbardziej widocznym wynikiem wprowadzenia Alu, możliwe jest, że obecność genu wywołała również inne zmiany rozwojowe - a także zmiany w poruszaniu się i związanych z tym zachowań we wczesnych hominoidach - aby zrekąpensować utratę ogona. 
Dodatkowe geny prawdopodobnie również odegrały rolę w utracie ogona. Podczas gdy rola Alu: „wydaje się być bardzo ważna”, inne czynniki genetyczne prawdopodobnie przyczyniły się do trwałego zniknięcia ogonów naszych przodków – powiedział Xia. „Rozsądnym jest założenie, że w tym czasie, było wiele więcej mutacji związanych ze stabilizacją utraty ogona,” powiedział Yanai. Ponieważ takie zmiany ewolucyjne są złożone, nasz ogon zniknął na zawsze, dodał. Nawet jeśli mutacja prowadząca zidentyfikowana w badaniu mogłaby zostać odwrócona: „wciąż nie przywróciła ogona”. 
Nowe odkrycia mogą również rzucić światło na rodzaj wady rdzenia kręgowego u płodów znanej jako rozszczep kręgosłupa. W swoich eksperymentach badacze odkryli, że gdy myszy były genetycznie modyfikowane w celu utraty ogona, niektóre z nich rozwijały zniekształcenia rdzenia kręgowego przypominające rozszczep kręgosłupa u ludzi.

„Być może powodem, dla którego mamy tę cechę u ludzi, jest to, że nasi przodkowie sprzed 25 milionów lat zrezygnowali z ogonów - powiedział Yanai. - Teraz, gdy udało nam się połączyć ten konkretny element genetyczny z tym szczególnie ważnym genem, może to rzucić światło na badania defektów neurologicznych”.