Forskersonen er forskning.nos side for debatt og forskernes egne tekster. Meninger i tekstene gir uttrykk for skribentenes holdninger.

På slutten av 1940-tallet, ved Cold Spring Harbor Laboratory i New York, oppdaget en spedbygd mais-genetiker noe helt revolusjonerende. Hun fant bevis for at noen gener kunne «hoppe »rundt i arvestoffet og lage kopier av seg selv.

Selv om hennes funn var banebrytende og ble publisert i anerkjente journaler, skulle det gå mange tiår før Barbara McClintock fikk den anerkjennelsen hun fortjente. 

McClintocks arbeid var for det første konseptuelt vanskelig og det hjalp nok ikke at hun var kvinne i et svært mannsdominert akademia. Først etter at to middelaldrende menn på 1960-tallet rapporterte tilsvarende fenomen i bakterier ble McClintocks funn allment akseptert, og hun fikk til slutt Nobelprisen i fysiologi og medisin som 81-åring i 1983.

Kan gener virkelig hoppe?

Men hva mener vi egentlig med gener som hopper? De fleste tenker på arvestoffet (genomet) som noe ganske statisk der genene våre, oppskriftene til cellenes byggestener (proteiner), ligger organisert som perler på en snor på DNA-molekylene. Nye generasjoner arver omtrentlig identiske kopier av foreldrenes arvestoff, med unntak av noen sjeldne og som oftest små endringer i DNA-koden som oppstår i kjønnscellene. 

Ideen om at gener kopierer seg selv og hopper rundt i arvestoffet bryter jo fullstendig med denne modellen.

Svaret er: både ja og nei. De fleste vanlige gener hopper ikke rundt i arvestoffet. De hoppende genene tilhører en helt spesiell type av gener som kalles «transposable element». 

Disse elementene er relativt korte DNA-biter (noen hundre til noen tusen basepar) som kan inneholde oppskriften til ett eller flere proteiner. Og disse proteinene har kun en funksjon – å programmere cellene til å lage flere kopier av seg selv - akkurat som en DNA-parasitt. 

Dersom et transposabelt element hopper inn i (eller i nærheten av) et vanlig gen, kan dette forstyrre eller ødelegge funksjonen til cellens byggesteiner, nemlig proteinene. Dette er nesten alltid skadelig for individet det skjer i, men ikke alltid.

Mer enn bare DNA-parasitter?

Det skulle gå over et halvt århundre fra Barbara McClintocks oppdagelse av transposable elementerfør til vi begynte å forstå hvor sentrale DNA-parasittene er i evolusjonshistorien til alt liv. 

Ny teknologi for DNA-sekvensering har muliggjort effektiv kartlegging av arvematerialet til tusenvis av arter de siste tiårene, og dette har revolusjonert vår forståelse av transposable elementer. Vi har vært så heldige å få bidra til denne kunnskapsrevolusjonen.

Ved å sammenlikne genomer har vi kunne kartlegge hoppe-aktiviteten til ulike transposable elementer, på ulike grener av livets tre. Og her finner vi enorme forskjeller. 

For eksempel utgjør transposable elementer mer enn 80 prosent av DNAet til mais og hvete. Til sammenlikning inneholder laksens og vårt eget genom cirka 45 prosent. Noen arter har fortsatt svært aktive transposable elementer, mens andre har holdt DNA-parasittene i sjakk og faktisk også «temmet» dem til å bli en del av organismens eget genetiske maskineri. 

De transposable elementene kan derfor ses litt på som skrotet du har i garasjen din - mye av det er helt ubrukelig, men noe av det kan kanskje komme til nytte en dag?

Snøugla med fuglerekord

Ett eksempel på slik skrot-i-garasjen-nytte har vi nylig beskrevet i arvestoffet til den mystiske snøugla. Denne arten viste seg å sette ny fugleverdensrekord i andel transposable elementer i arvestoffet. Var dette tilfeldig? 

Ved nærmere analyse fant vi ut at dette skyldtes at snøugla har temmet et transposabelt element og begynt å bruke det som et molekylært fortøyningspunkt (kalt centromer) som sikrer at kromosomene fordeler seg riktig når cellene deler seg. 

Vi tror også at disse hoppende genene kan ha påvirket selve prosessen i artsdannelsen hos ugler. Veldig rask evolusjon på grunn av hoppende gener kan nemlig bidra til at ulike bestander i en art blir raskt så ulike at de til slutt blir ulike arter. Dette må vi undersøke nærmere!

En tsunami av transposable element i laksefisk

Sentralt i McClintocks opprinnelige oppdagelser på 40-tallet var at transposable elementer ble «vekket til live» av store miljøsjokk. I en annen nylig publisert artikkel undersøkte vi dette fenomenet i laksefisk. 

Stamfaren til all laksefisk gjennomgikk nemlig en duplisering av alt arvestoff for cirka 100 millioner år siden. Dette representerte et «genetisk sjokk» - men kunne dette være med å forklare at laksens arvestoff består av mye transposable element? 

I tråd med McClintock’s observasjoner fant vi spor av en tsunamibølge av aktivitet fra transposable elementer rett etter dupliseringen av arvestoffet. Dette skapte hundretusenvis av nye mutasjoner som var med på å «omprogrammere» laksefiskenes genregulering og skape grobunn for nye tilpasninger i laksefamilien. 

Å forstå disse prosessene er ikke bare viktig for å forstå laksens evolusjonære historie, men kan også gi ny innsikt i biologien til dagens laks som er viktig for å løse utfordringer innen akvakultur.

Fra ape til menneske

Nylig ble det publisert et spektakulært funn i Nature som knytter McClintock’s arv til vår egen evolusjonshistorie. 

Ved å sammenlikne genomsekvensene fra menneske med andre aper, både med og uten haler, identifiserte de et spennende transposabelt element som hadde hoppet rundt i en av våre behalede forfedre for cirka 20 millioner år siden. 

Dette hoppegenet landet midt inne i et gen som kalles TBXT. Alle haleløse aper har derfor i dag en kopi av dette transposable elementet i sitt TBXT-gen. Kunne dette virkelig ha ført til haleløshet? 

For å teste dette laget forskerne derfor genmodifiserte mus med vår utgave av TBXT-genet - og disse musene ble haleløse eller hadde svært små haler.

Viva la evolution

Det har nå gått over 70 år siden McClintock oppdaget hoppende gener, helt uten fancy genetisk teknologi. Faktisk var ikke strukturen til DNA kartlagt enda. Nå har vi endelig teknologien til å virkelig forske på konsekvensene av dette fenomenet. Vi er nå inne i en ny genetisk gullalder, der Darwin, Mendel og McClintocks tankegods kan undersøkes med genetiske data og metoder i en helt annen skala enn før. 

Vi innser nå at nye arter oppstår ikke bare ved gradvis tilpasning til nye miljø - de kan også oppstå på grunn av transposable elementer som løper løpsk rundt i arvematerialet vårt. 

Vi ser flere og flere eksempler på tilpasninger hos ulike arter som skyldes transposable elementer. Den fulle rekkevidden av hva disse hoppende genene gjør har vi enda ikke nådd. La oss i McClintocks ånd fortsette med nysgjerrighetsdrevet forskning - det er spennende tider i vente.

Aktuelt fra forskersonen:

Det ble ikke noe av en global plastavtale. Hva nå?

Sitter long covid «bare i hodet»?