Nylonbakteerista

18.06.2008 - otukka

Nykyään tulee vastaan joka paikassa juttu bakteerista, joka vaihtoi ruokalistan nyloniin frame-shift mutaation kautta ja tätä pidetään vastaansanomattomana esimerkkinä informaation lisääntymisestä mutaation kautta. En ole mistään löytänyt kunnollista molemminpuolista selontekoa aiheesta, joten löytyisikö teiltä? Myöskään en päässyt aivan selvyyteen siitä, onko tapaus dokumentoitu aukottomasti frame-shift mutaation piikkiin? Kiitoskia

Vastaus:

15.02.2011

Kiitos kysymyksestäsi!

En ole mistään löytänyt kunnollista molemminpuolista selontekoa aiheesta, joten löytyisikö teiltä?

Me emme tietenkään voi puhua muiden kuin itsemme puolesta, mutta voimme kertoa oman näkökulmamme niin rehellisesti kuin osaamme. Lyhyt vastauksemme on, että tämä ei ole esimerkki informaation lisääntymisestä lukukehysmutaation kautta, sillä todisteet lukukehysmutaation tapahtumisesta perustuvat hataraan tilastolliseen päättelyyn, sekä siihen oletukseen, että proteiini on joka tapauksessa syntynyt ohjaamattomien muuntelumekanismien kautta.

Myöskään en päässyt aivan selvyyteen siitä, onko tapaus dokumentoitu aukottomasti frame-shift mutaation piikkiin? Kiitoskia

Frame-shift -mutaatio eli lukukehysmutaatio on geneettinen muutos, jossa geeniin lisätään, tai siitä poistetaan yksi, kaksi, neljä, tai jokin muu kolmella jaoton määrä DNA:n kirjaimia, eli nukleotidejä. Solun koneisto tulkitsee nukleotidit (A, C, T & G) proteiinien aminohappojärjestykseksi kolmen ryhmissä, niin että jokainen kolmen A:n, C:n T:n ja G:n yhdistelmä tarkoittaa joko yhtä aminohappoa, tai päätösmerkkiä, johon proteiini loppuu. Erilaisia neljästä emäksestä muodostettuja kolmen emäksen yhdistelmiä, eli kodoneita, on 43 = 64. Proteiinin muodostavia aminohappoja on kuitenkin vain 20, joten yhtä aminohappoa koodataan useammalla kodonilla. Samoin proteiinin koodaus voidaan päättää kolmella erilaisella STOP-kodonilla (DNA:ssa TAA, TAG, TGA).

Jos geeniin lisättäisiin jokin kolmella jaollinen määrä (3, 6, 9...) nukleotideja, geenin tuottamaan proteiiniin lisättäisiin kyseiseen väliin yksi tai useampi aminohappo. Tällainen muutos ei välttämättä ole vielä proteiinin toiminnan kannalta mullistava. Kuitenkin lukukehysmutaation seurauksena geenin rytmitys muuttuu kun kodoneita käännetään aminohapoiksi, joten geeniä luetaan mutaatiosta eteenpäin "väärästä kohdasta", eli väärässä lukukehyksessä suhteessa aiempaan geenin toimintaan. Toisin sanoen kaikki mutaatiota seuraavat kodonit ovat erilaisia, ja siksi ne koodaavat useimmiten myös eri aminohappoa. Tällainen mutaatio tuhoaa yleensä geenin täydellisesti.

Yleensä, jos väitetään että jokin proteiini on syntynyt toisesta proteiinista tietyn mutaation seurauksena, olettaisi että tämä perustuu siihen, että meillä olisi olemassa ne kaksi proteiinia. Silloin voisimme niiden geenejä vertailemalla helposti huomata, että ne ovat pääpiirteissään samanlaisia, ja suurimpana erona olisi nyt tämä kyseinen mutaatio.

Nailonin hajoamistuotteita pilkkovan entyymin tuottanut mutaatio on alunperin laitettu lukukehysmutaation piikkiin Susumu Ohnon arvostetussa PNAS-tiedelehdessä julkaisemassa artikkelissa "Birth of a unique enzyme from an alternative reading frame of the preexisted, internally repetitious coding sequence.1

Ohnon argumentaatio ei kuitenkaan etene aivan edellä mainitulla tavalla. Ohno on ensin miettinyt että minkälaisilla mutaatiomekanismeilla uudenlaiset proteiinit olisivat voineet syntyä miljardeja vuosia sitten esikambrikaudella. Ohno on myös joskus kirjoittanut tieteellisen artikkelin siitä, mihin geenien kopioimisella ja kopioiden muuntelulla päästään. Artikkelin perusteella sillä ei päästä juuri mihinkään. Sen sijaan geenien tuottamien proteiinien toiminnot pysyvät rakenteen samankaltaisuuden takia hyvin samankaltaisina kuin kantamuodoilla. Tämän jälkeen Ohno on miettinyt, että lukukehysmutaatiot voisivat mahdollistaa huomattavan erilaisten proteiinien synnyn verrattuna kopioimiseen. Ongelmana on kuitenkin se, että yleensä käyttämättömässä lukukehyksessä on liian paljon stop-kodoneita, ja lisäksi koko aminohappojärjestys muuttuisi mutaation kohdalta alavirtaan niin totaalisesti, että olisi liian epätodennäköistä saada siitä minkäänlaista toimivaa proteiinia.

Jos kantamuodolla DNA:n emäsjärjestys olisikin sen sijaan koostunut pelkistä perättäisistä kolmella jaottomista toistoista, esim. kymmenen nukleotidin toistoista, niin jokaisessa lukukehyksessä käytäisiin läpi vuorotellen myös niiden kahden muun lukukehyksen aminohappojärjestys. Tällöin taataan ettei lukukehysmutaatio aiheuta ennenaikaisia stop-kodoneita, niin kauan kuin nukleotidien järjestys pysyy muuttumattomana. Silloin lukukehysmutaation aiheuttamat muutokset olisivat muutenkin melko paikallisia. Lisäksi toistoilla voisi olla Ohnon mukaan melko helppo tuottaa proteiinien sekundaarirakenteena toimivia alfa-heliksejä ja beta-levyjä.

Tämä on kyllä evoluutioteorian puitteissa suhteellisen johdonmukaista päättelyä. Jos siis evoluution uskotaan joka tapauksessa synnyttäneen valtavan määrän uudenlaisia proteiineja, niin tämä nyt ainakin ratkaisee pari ongelmaa: miten voisi periaatteessa saada sen verran suuria rakenteellisia muutoksia, että syntyisi rakenteeltaan jossain määrin uudenlainen proteiini, mutta kuitenkin niin, ettei muutos samalla tuhoaisi koko proteiinin rakennetta.

Tämän jälkeen Ohno argumentoi, että nyt löydetyn nailonin hajoamistuotteita pilkkovan n. 392 aminohappoa (1176 nukleotidiä) pitkän entsyymin geenistä voidaan löytää viereisessä lukukehyksessä avoin lukukehys (aloituskodonista stop-kodoniin), jonka pituus on jopa huimat 427 aminohappoa (1281 nukleotidiä), ilman että yksikään stop-kodoni keskeyttää homman. Tämä avoin lukukehys on kuitenkin olemassa vain mikäli oletetaan että nykyisen proteiinin aloituskodonissa oleva T on aiheuttanut lukukehysmutaation synnyttäen kyseiseen paikkaan tähän "alkuperäiseen" lukukehykseen STOP-kodonin. Ohno toteaa, että näin pitkän avoimen lukukehyksen olemassaolon todennäköisyys sattumalta on lähellä nollaa. Hän myös toteaa, että kyseisessä geenissä on 2.4 kertaa enemmän C:tä ja G:tä kuin A:ta ja T:tä, ja kun tämä ilmiö jatkuu hyvin tasaisesti läpi sen geenin, se ei voi olla sattumaa, vaan siihen täytyy olla joku syy.

Tämän jälkeen Ohno luettelee useita esimerkkejä siitä, kuinka geenissä on sisäistä homologiaa: mm. eräs neljän aminohapon pätkä toistuu siellä kolmesti, ja kaksi sadan aminohapon erolla alkavaa (toinen alkaa 156. aminohaposta ja toinen 256. aminohaposta) kymmenen aminohapon pätkää, joissa seitsemän kymmenestä aminohaposta täsmää.

Hänellä on vielä muitakin vastaavia todisteita toisteisuudesta, ja hän päätyykin toteamaan, että jää hyvin vähän epäilyksen varaa sille johtopäätökselle, että nykyinen geeni on syntynyt sellaisessta geenistä joka koostui alunperin peräkkäisistä kymmenen nukleotidin toistojaksoista ja näytti ilmeisesti tältä: CGACGCCGCT. Toistojaksoon olisi tietysti ajan saatossa kertynyt jonkin verran pistemutaatioita, mutta tästä huolimatta nämä sisäiset homologiat osoittavat Ohnon mukaan riittävän selvästi, että toistuva rakenne on edelleen havaittavissa. Jossain vaiheessa kyseistä geeniä kantava bakteeri olisi sitten saanut valintaedun lukukehysmutaatiosta, jonka seurauksena syntyi geeni joka alkoi tuottaa nailonin palasia pilkkovaa proteiinia.

Ongelmana tosin on se, että tuo kymmenen nukleotidin pätkä ei sellaisenaan tunnu toistuvan geenin nukleotidien järjestyksessä. Itseasiassa tuota pätkää toistamalla saatua emäsjärjestystä on käytännössä mahdotonta saada sopimaan yhteen geenin järjestyksen kanssa. Jos geeni pilkotaan kymmenen nukleotidin pätkiin, ja katsotaan mitä emästä kullakin paikalla on eniten, voisi päätellä alkuperäisen toistojakson olleen joko CGGCCGCCCC tai CCGCCGCCCC, ja tämäkin täsmäisi nykyisen geenin kanssa vain 37.8% tarkkuudella. Silloinkin geenistä pitäisi vaihtua vähintään 803 / 1292 nukleotidia. Se, että nuo pätkät koostuvat pelkästään C:stä ja G:stä, on luonnollinen seuraus siitä, että ne muodostavat 70% geenistä, ja että nuo pätkät ovat täysin sattumanvaraisia.

Vertasimme myös niitä kahta samankaltaisen kymmenen aminohapon pätkän tuottavaa nukleotidijärjestystä tuohon "alkuperäiseen" toistojaksoon, ja siirtelimme toistojaksoa aina pykälän oikealle, kunnes olimme kokeilleet kaikki kymmenen vaihtoehtoa läpi. Jos nykyinen järjestys olisi syntynyt tuosta toistojaksosta, niin kyllähän tämän esimerkkitapauksen olisi ainakin pitänyt muistuttaa hyvin paljon alkuperäistä, jos se kerran Ohnon mukaan on homologinen. Silloin niiden samankaltaisuus alkuperäisen kanssa pitäisi olla parhaassa kohdassa vähintään yhtä hyvä kuin niiden keskinäisen vastaavuuden, eli yli 70%. Sen sijaan paras molemmista pätkistä samasta kohdasta laskettu vastaavuusprosentti oli (15+9)/(30+30) = 40%, mikä on tuolla (C+G)/(T+A) -suhteella parhaaksi tulokseksi kymmenestä naurettavan alhainen. Se tarkoittaa käytännössä sitä, että tuo geeni vastaa hänen hypoteettista alkuperäissekvenssiään likimain yhtä hyvin, kuin mikä tahansa sattumanvarainen vastaavalla (C+G)/(T+A) -suhteella varustettu saman pituinen sekvenssi.

Jokainen voi itse todeta tuon artikkelin lukiessaan, kuinka "aukottomasti" tapaus on  dokumentoitu frame-shift mutaation piikkiin.

Lopuksi on tietysti hyvä todeta miten uskomme kyseisen proteiinin ilmaantuneen. Nailonin palasten hajottamiseen osallistuu kolme proteiinia (EI, EII, EIII), joista kahden (EI ja EIII) syntyreitti on edelleen tuntematon. Emme siis voi niitä kahta kommentoida kovinkaan tarkasti. Rappeutumisjohtopäätökset tehdään tiedon perusteella, samoin informaation kehittymisestä kertovat johtopäätökset pitäisi tehdä tiedon perusteella. Niin kauan kuin noista ei tiedetä sen enempää, ne eivät todista meille vielä mitään siitä, minkälaatuista informaation muutosta tässä on tapahtunut.

Kuitenkin EII, johon nämä frame-shift -väitteetkin liittyivät, on niistä eniten tutkittu. Uudempien tutkimusten mukaan kyseinen proteiini on muunnos karboksyyliestereitä pilkkovasta proteiinista.

Proteiinin aktiivinen kohta on muuttunut sen verran, että karboksyyliestereiden hydrolyysiin erikoistunut proteiini on vähemmän erikoistunut, ja hydrolysoi nyt myös rakenteeltaan samankaltaisia suoria nailon oligomeereja. EII toimii edelleen myös alkuperäisessä tehtävässään, vaikkakin heikommin. 2,3

Kuten olemme jo todenneet aikaisemmassa vastauksessamme, erikoistuminen katalysoitavaan substraattiin on yksi mittari pragmaattisen informaation muutosten mittaamiselle:4 "Täsmennys on informaatiota, sillä mitä tarkemmin jokin asia on ilmoitettu, sitä enemmän informaatiota saadaan selville." Kaiken kaikkiaan nailonin palasten pilkkominen on hyvin yksinkertainen tehtävä, johon kykenevät erittäin yksinkertaisetkin orgaaniset katalyytit.5

Lähdeviitteet
  1. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC345072/
  2. Ohki, T., Y. Wakitani, M. Takeo, K. Yasuhira, N. Shibatat, Y. Higuchi, and S. Negoro, 2006. Mutational analysis of 6- aminohexanoate-dimer hydrolase: Relationship between nylon oligomer hydrolytic and esterolytic activities. FEBS Letters 580:5054–5058.
  3. Negoro, S., T. Ohki, N. Shibata, K. Sasa, H. Hayashi, H. Nakano, K. Yasuira, D. Kato, M. Takeo, and Y. Higuchi, 2007. Nylon-oligomer degrading enzyme/substrate complex: Catalytic mechanism of 6-aminohexanoate-dimer hydrolase. Journal of Molecular Biology 370:142–156.
  4. Rappeutumisteoriaan tarkennus
  5. http://www.ideacenter.org/contentmgr/showdetails.php/id/1449
Lisää samasta kategoriasta « Informaation vähenemisestä