Generna – ritningarna till allt levande

av Tomas Lindblad

Vi har mycket mer gemensamt med insekter eller maskar än vad de flesta vet. Vår djupa släktskap lyser igenom när man ser hur generna bygger upp våra kroppar. Det har visat sig att flugans larver och däggdjurens ungar skapas på nästan samma sätt ur sina ägg. Skillnaden mellan arterna uppstår genom små justeringar av en urgammal byggplan. Gamla gener skapar nya former. Men det betyder samtidigt att det kanske går att få evolutionen att gå baklänges om man justerar byggplanen lite. I dag finns det forskare som försöker vrida tillbaka klockan några miljoner år på det viset. Hoppet är att skapa en dinosaurie ur ett vanligt hönsägg.

De senaste årtiondena har det gjorts enorma framsteg när det gäller att kartlägga exakt vad det är som händer när ett nytt liv blir till. Redan för 200 år sedan tittade forskare på grodyngel, hönsägg och musfoster och häpnade inför utvecklingen från en ensam cell till en fungerande levande varelse som kunde kackla och lägga nya ägg eller simma runt i en damm och jaga insekter. Men hur det här egentligen gick till förblev ett mysterium långt in i våra dagar. Att vi vet så mycket mer nu, det kan vi tacka bananflugan för. Oräkneliga flugor har sedan början av 1900-talet blivit misshandlade, förgiftade och bestrålade med radioaktivitet för att de ska få intressanta förändringar i sina gener, det som kallas mutationer. En del av de här förändringarna var mer uppseendeväckande än andra. En mutation kallas antennapedia – antennfot. Den gör att flugan får ben i stället för antenner på huvudet. Antennfot betyder att hela benet har flyttat dit, med leder och hårstrån och allt. En annan variant – bithorax – ger flugan ett extra par fullt utbildade vingar – flugor är ju normalt tvåvingade. De stora mutationerna visade dels att en fluga var konstruerad som en byggsats, med utbytbara delar. Vips, så flyttade hela bensektionen till huvudet, eller också skapades ett helt mellankroppssegment för mycket. Dels så såg forskarna att de här muterade monsterflugorna uppstod genom mutationer i en enda gen. Frågan var hur en så liten genetisk förändring kunde skapa en sådan rejäl ommöblering av flugan. Svaret på frågan skulle förändra hela bilden av hur evolutionen går till i praktiken.

 

En av de bisarra mutationerna hos bananflugan kallas Antennapedia. Den beror på en enda mutation i en så kallad hox-gen, och den gör att flugan får fullt utvecklade ben i stället för antenner.

 

Man upptäckte snart att de gener som gav upphov till de stora förändringarna i flugans kropp hade något gemensamt. De var åtta stycken gener, och alla åtta innehöll en likadan kort sekvens av den genetiska koden. Vad var det för ett viktigt meddelande? Svaret kom under 1980-talet, och ledde till ett Nobelpris. Den korta sekvensen visade sig vara koden för ett ämne som kopplade ihop sig med själva DNA-spiralen. Det betydde att ämnet var en så kallad transkriptionsfaktor. Genen med den korta kodnyckeln kunde alltså styra andra gener. Den var en genetisk strömbrytare. De här generna som kunde reglera andra gener fick namnet Hox-gener. Och tydligen var de så viktiga för utvecklingen av bananflugans larver att en skada på en av dem kunde bygga om stora delar av flugan. Upptäckten gjorde att man började leta efter Hox-gener även hos andra djur. Och de dök snart upp. De hittades hos insekter, maskar, reptiler, fåglar, däggdjur och – människor. Man anade ett viktigt mönster.

Att djurens fosterutveckling på något sätt speglade evolutionen, det hade man förstått sedan länge. Redan de första embryologerna kunde se att foster från helt skilda arter liknade varandra väldigt mycket som embryon. Efter Darwin och evolutionsteorins genombrott lanserades teorin att fostret upplevde artens evolutionshistoria som en snabbrepris. Längs vägen får både kycklingar och människor under en period små gälbågar bakom huvudet, och som foster har vi också svansar som försvinner innan vi föds. Men den likhet mellan alla djur som man nu kunde se bland Hox-generna liknade ingenting man sett tidigare. Vissa av de proteiner som producerades av musens Hox-gener var närmast identiska med motsvarande protein hos bananflugan. Det gick att byta hox-protein mellan en fluga och en kyckling, och flugan fungerade alldeles utmärkt ändå. Och inte nog med det. De här nyckelgenerna satt alltid ordnade i samma prydliga ordning på kromosomerna. Först de som påverkade huvud och framkropp, och sedan generna för armar och ben, eller vingar, och därefter de som byggde kroppens bakre eller nedre delar. Det påminde om instruktionen för att bygga ihop en Ikea-möbel. Djuren utvecklades alltså inte bara enligt samma modell. De utvecklades med samma slags gener. Trots att bananflugans och musens släktlinjer skildes åt i evolutionens historia för mer än 600 miljoner år sedan.

Hox-generna ansvarar för själva grundstrukturen hos ett djur. De avgör vad som blir fram och bak, vad som ska bli upp och ner, och var ben och armar och andra utskjutande organ ska sticka ut. Och de gör de oavsett om du är en myra eller en havsörn. Hox-gener fanns redan hos de allra första djuren som över huvud taget hade en fram- och baksida, de som skilde ut sig från maneter och andra slemklumpar för att utvecklas till allt det som sedan blev ryggradsdjur. Man kan säga att de pekade ut riktningen för hur en kropp ska byggas upp med en tvåsidig symmetri – alltså med en vänster och en högersida. Och det är en modell som vi fortfarande bygger vidare på efter alla hundratals miljoner år. Men det skulle snart dyka upp fler redskap i djurens gemensamma genetiska verktygslåda. Det räcker inte med att Hox-generna bestämmer ordningen på de olika kroppsdelarna. Det krävs åtskilligt mer detaljarbete.

Andra signaler styr produktionstakten av nya celler, och åter andra reglerar var i kroppen och hur länge en gen ska arbeta. Allt det här blir sammantaget en sammanlänkad kedja av tusentals genetiska processer som följer ett komplicerat program som är unikt för varje art. Den nya vetenskapen tittar samtidigt på fosterutvecklingen och evolutionen, och det gör att den kan lägga ihop den gamla embryologin, där man tittade på ägg och larver från varje art, med paleontologin, där man studerat serier av fossil. Vi kan se hur evolutionen modellerar om arterna i praktiken.

En hummer eller en spindel eller en fluga är uppbyggd av sektioner som kallas segment. Nu vet vi att de här segmenten byggs upp med hjälp av Hox-gener. En av dem startar till exempel bygget av segment nummer två i mellankroppen. Det segmentet ska ha ett ben och en vinge. Det är den genen som kan skapa mutationen ”antennfot” om den hamnar fel. Men om samma gen kopieras en gång för mycket uppstår en mutation som bygger ett extra segment. Följden kan bli ett lite längre djur, kanske det som till slut utvecklats till en tusenfoting. Även vi är uppbyggda av segment. Se på vår ryggrad. Varje kota är en separat enhet med tillhörande nervvävnad. Ormarna har fått en hel del extra sektioner. Vi har i stället tappat dem som fortfarande finns i apornas svansar. Vi är radikalt annorlunda, men det är i stort sett samma gener i ormar, apor och människor, men med lite annorlunda instruktioner. De genetiska likheterna har gång på gång slagit forskarna med häpnad under de senaste åren. Vi har samma genetiska verktyg med oss i livet, och den här uppsättningen är sig lik från tider som är så avlägsna att vi knappt kan begripa det.

 

Den utdöda trilobiten är ett bra exempel på ett djur som är uppbyggt av segment som upprepas med små variationer. Samma gener som ser till att trilobitens alla delar sorteras rätt ser också till att våra armar och ben hamnar på de rätta ställena. Så djupt går evolutionens släktskap.

 

Insekterna har inget hjärta i vår mening. De har ett betydligt enklare rör som får deras motsvarighet till vårt blod att pumpas runt i kroppshålan. När pumpen byggs upp hos en larv så startas processen av en gen som kallas tinman (efter figuren Plåtmannen i filmen Trollkarlen från Oz, som ju inte hade något hjärta). Människor har inte tinman-genen, men en mycket närbesläktad variant. Det har visat sig att den spelar en viktig roll för att styra hur cellerna formerar sig i vårt hjärta med sina kammare och förmak.

Otaliga djur på alla nivåer av utveckling har ögon. Det har visat sig vara en värdefull tillgång för liv på jorden att kunna orientera sig genom att analysera den elektromagnetiska strålningen från solen, det vill säga ljuset. Ögon finns av så många skilda slag att biologerna brukade se dem som ett exempel på hur samma problem har lösts på ett liknande sätt av många olika arter vid skilda tidpunkter, men helt oberoende av varandra. Ett fenomen som kallas konvergent evolution. Men så är det inte. Alla ögon på jorden härstammar i rakt nedstigande led från en enda förfader, eller moder. Allt började med att de första ljuskänsliga cellerna uppstod i urhavet för över 700 miljoner år sedan. Ugglans stora nattkikare, musslornas rad av små svarta punkter längs skalet och trollsländans skimrande facettögon är alla uppbyggda med hjälp av en liten grupp mycket specifika signalproteiner som till och med finns hos maneterna.

En av nyckelgenerna som styr skapandet av ögon heter PAX-6. Proteinet som producerats av PAX-6 i en mus kan få en fluglarv att utveckla ögon. Det är detta som kallas djup släktskap. Det är ett finstämt samspel mellan alla signalproteiner i verktygslådan som ger en färdig individ till resultat. Reglage slås på i en viss ordning, stängs av eller öppnas under en viss tid, och en bestämd mängd av varje ämne ska ut vid varje tidpunkt. Det är det här samspelet som gör att ganska få gener kan skapa den oändliga variation vi ser i naturen, och bland alla de utdöda djurarter som vi bara träffat på som fossil. Förändringar i nyckelgener öppnar för nya möjligheter i evolutionen. Små förändringar i fosterutvecklingen som kan få stora konsekvenser i det verkligt långa perspektivet. Lite mer av ett visst signalprotein vid exakt rätt plats och rätt tidpunkt ger kanske aningen längre ben, en lite kraftigare näbb eller ett lite lättare skelett. Avvikelser som kan ge en fördel framför andra individer och slå igenom i gruppens genpool.

En gång för hundratals miljoner år sedan levde ett primitivt manteldjur i havet, ett slags havstulpan kan man säga. Som larv simmade den omkring i vattnet en kort tid innan den fastnade på en sten, och levde resten av sitt liv genom att sila vatten och konsumera vad som råkade flyta förbi. Under sitt larvstadium hade den en liten sträng av nervceller längs ryggsidan för att hjälpa den att simma. Den strängen försvann när det var dags för det stillasittande vuxenlivet. Men en av larverna fick en dag ett tekniskt fel i en av de gener som styr bygget av kroppen. Den behöll sina nerver hela livet och blev ett ryggsträngsdjur. Därmed blev den lilla havstulpanen ursprunget till alla insekter, fiskar, reptiler fåglar och däggdjur som lever än i dag. Tror man.

I stället för kloning – att värpa en dinosaurie

Om man nu vet vilka gener som gör vad i uppbyggnaden av en ny individ från en enda befruktad äggcell – skulle man då inte kunna backa processen? Och till exempel få utdöda djur att växa fram ur ägget från en nutida släkting? Ja varför inte, anser den kände dinosaurieforskaren Jack Horner. Han vill väcka dinosaurierna från de döda genom att tillsätta de rätta signalproteinerna till ett kycklingembryo, alltså ett vanligt hönsägg. På så vis hoppas han kunna låsa upp en gammal stängd serie av signaler i embryot. En signalväg som kanske ligger sovande därinne sedan 65 miljoner år. 2007 hittade Horners kollega Mary Schweitzer en Tyrannosaurus rex med bevarade mjukdelar. Ur resterna av dinosauriens vävnad kunde hon få fram proteinet kollagen. Det proteinet visade sig ha samma sammansättning som hos dagens höns. Fyndet visade definitivt den nära släktskapen mellan fåglarna och dinosaurierna. Men det visade också hur liten chansen är att någonsin hitta DNA från en dinosaurie. DNA är betydligt ömtåligare än ett protein, och kvaliteten på proteinet var så låg att hoppet om att det även skulle gå att finna DNA nästan är ute, anser Horner. Det betyder att vi troligen aldrig kan klona fram en dinosaurie – om nu någon skulle vilja det. Men när en kyckling blir till kan man för ett kort ögonblick se dinosaurien titta fram. Som embryo börjar den utveckla en liten svans, men den svansen förvandlas snabbt till den klump längst bak på kroppen som håller fast stjärtfjädrarna på hönan. Man vet att det framför allt är två uppsättningar nyckelgener och deras proteiner som styr den processen. Men om man kan gå in och låta svansbildningen fortsätta kan man till att börja med få en fågel med lång svans, ungefär som den primitiva fågeln Archaeopteryx, tänker Horner. Och kanske även andra primitiva drag, som tänder och vassa klor, kan följa med på köpet. Han har med hjälp av Montrealforskaren Hans Larsson testat metoden. Larsson lyckades ta den lilla svansen och transplanterade den på ett något äldre foster för att se om man kunde ta sig förbi den punkt i programmet där svansen tillbakabildades. Men det har visat sig svårare än planerat, och än så länge har det djärva försöket inte lyckats. Kanske är det här sättet att arbeta en återvändsgränd. Regleringen av generna i ett embryo är definitivt inte enkel, och det ligger kanske bortom vår förmåga att styra om processen. Men om det skulle gå, så öppnas en helt ny dörr till det förflutna.

 

Han drömmer om att återskapa en dinosaurie ur ett vanligt hönsägg med hjälp av kunskapen om hur evolutionen och fosterutvecklingen hänger ihop. Jack Horner är en av världens ledande experter på dinosaurier och han var också förebilden för Sam Neills rollfigur i filmen Jurassic Park.

Artikeln är publicerad här med vänligt tillstånd från Tomas Lindblad.

Kommentarer inaktiverade.