Miten emut ja strutsit menettivät lentokykynsä

Evoluutiossa tapahtuneet geenien pomottamista koskevat DNA:n hienosäädöt ovat saattaneet saada jotkut linnut lentokieltoon.

Uudet geneettiset analyysit osoittavat, että säätelevän DNA:n mutaatiot aiheuttivat sen, että sileälastaiset linnut menettivät lentokykynsä jopa viisi eri kertaa evoluutionsa aikana, tutkijat raportoivat 5. huhtikuuta ilmestyvässä Science-lehdessä. Ratiitteihin kuuluvat emut, strutsit, kiivit, rheat, kasuaarit, tinamousit sekä sukupuuttoon kuolleet moa- ja norsulinnut. Vain tinamousit osaavat lentää.

Regulaatio-DNA on saanut nimensä siitä, että se osallistuu sen säätelyyn, milloin ja missä geenit käynnistyvät ja sammuvat. Se ei sisällä ohjeita proteiinien valmistukseen. Tutkijat ovat pitkään kiistelleet siitä, johtuvatko suuret evolutiiviset muutokset, kuten lentämisen kaltaisen ominaisuuden saaminen tai menettäminen, pääasiassa ominaisuuteen liittyvien proteiineja tuottavien geenien mutaatioista vai pääasiassa salaperäisemmän säätely-DNA:n muutoksista.

Säätely-DNA:n merkityksen paljastuminen evoluution muotoutumisessa voisi valottaa sitä, miten läheisesti sukua oleville lajeille, joilla on samoja geenejä, kuten esimerkiksi simpansseille ja ihmisille, tai mioille ja tinamousseille, voi kehittyä valtavan paljon toisistaan poikkeavia ulkomuotoja ja kykyjä.

Tutkijoilla on ollut tapana korostaa proteiineja koodaavien muutosten merkitystä, jotka vaikuttavat erilaisten ominaisuuksien evoluutioon monissa eliöissä. Esimerkkejä on suhteellisen helppo löytää. Esimerkiksi aiempi tutkimus lentokyvyttömistä Galápagosin merimetsoista viittasi siihen, että yhden geenin mutaatiot kutistivat lintujen siipiä (SN: 6.11.16, s. 11).

Yleisesti ottaen mutaatiot, jotka muuttavat proteiineja, ovat todennäköisesti vahingollisempia kuin muutokset säätely-DNA:ssa, ja ne on siten helpompi havaita, sanoo Camille Berthelot, evoluutiogenetikko Ranskan kansallisessa lääketieteellisessä tutkimuslaitoksessa INSERM:ssä Pariisissa. Proteiini voi osallistua moniin biologisiin prosesseihin koko elimistössä. ”Joten missä tahansa tämä proteiini on , sillä on seurauksia”, hän sanoo.

Sitä vastoin monet DNA:n osat voivat osallistua geenin toiminnan säätelyyn, ja kukin niistä voi toimia vain yhdessä tai muutamassa kudostyypissä. Tämä vähentää yhden säätelypätkän muuttamisen aiheuttamia vahinkoja, mikä tekee näistä DNA-pätkistä helppoja kohteita evoluution kokeiluille. Samalla se kuitenkin vaikeuttaa huomattavasti sen määrittämistä, milloin säätely-DNA on todella osallisena suurissa evoluutiomuutoksissa, sanoo evoluutiogenetiikan tutkija Megan Phifer-Rixey Monmouthin yliopistosta West Long Branchista, N.J:stä. Kyseiset DNA:n pätkät eivät kaikki näytä samanlaisilta, ja ne ovat saattaneet muuttua paljonkin lajista toiseen.

Evoluutiobiologi Scott Edwards Harvardin yliopistosta ja hänen kollegansa kiersivät tämän ongelman tulkitsemalla 11 lintulajin, joista kahdeksan on lentokyvyttömiä, geneettiset ohjekirjat eli genomit. Sitten tutkijat asettivat nämä genomit rinnakkain sellaisten lintujen jo valmiiden genomien kanssa, joihin kuuluu muun muassa strutseja, valkokurkkutinamia, Pohjoissaaren ruskeakiivejä, keisari- ja adélie-pingviinejä sekä 25 lentävää lintulajia.

Tutkijat etsivät säätely-DNA:n pätkiä, jotka eivät olleet juurikaan muuttuneet lintujen evoluution aikana, mikä on osoitus siitä, että DNA:lla on tärkeä tehtävä. Tutkijat löysivät 284 001 yhteisen, suhteellisen muuttumattoman säätely-DNA:n pätkän joukosta 2355 pätkää, joihin oli kertynyt odotettua enemmän mutaatioita sileälastaisissa linnuissa, mutta ei muissa lintulinjoissa. Mutaatioiden runsaus viittaa siihen, että nämä säätely-DNA:n osat kehittyvät nopeammin kuin muut genomin osat ja ovat saattaneet menettää alkuperäiset tehtävänsä. Evoluution kiihtymisajankohtien jäljittäminen johti tutkijat siihen, että sileälastaiset linnut menettivät lentokykynsä ainakin kolme kertaa ja mahdollisesti jopa viisi kertaa.

Nämä säätely-DNA:n osat sijaitsivat yleensä raajojen kehitykseen osallistuvien geenien läheisyydessä, mikä viittaa siihen, että ne saattoivat virittää geenien toimintaa pienempien siipien tuottamiseksi. Ryhmä testasi yhden tällaisen säätely-DNA-palan, jota kutsutaan tehostajaksi, kykyä käynnistää geeni kehittyvissä kanan alkion siivissä. Lentämään kykenevien tyylikkäiden tinamousien (elegant-crested tinamous) tehostajaversio käynnisti geenin, mutta lentokyvyttömän rhean (major rhea) tehostajaversio ei käynnistänyt sitä. Tulos viittaa siihen, että muutokset kyseisessä tehostajassa lamauttivat sen siipien kehitystehtävän, ja se on saattanut myötävaikuttaa lentokyvyttömyyteen rheassa, tutkijat sanovat.

Yksi nykyiseksi hypoteesiksi siitä, miksi sileälastaiset rotat, tinamousia lukuun ottamatta, ovat lentokyvyttömiä, on se, että kaikkien lajien esi-isä oli menettänyt kyvyn lentää ja tinamousit saivat sen myöhemmin takaisin. ”Se ei yksinkertaisesti ole mielestämme kovin uskottavaa”, Edwards sanoo. Pikemminkin sileälastaisten lintujen esi-isä todennäköisesti osasi lentää, ja tinamous säilytti kyvyn, kun taas sukulaislinnut menettivät kyvyn lähinnä säätely-DNA:ssa tapahtuneiden muutosten vuoksi, hän sanoo. ”Aavistukseni on, että lentokyvyn menettäminen on suhteellisen helppoa”, hän sanoo.

Lintujen esi-isää lukuun ottamatta lentäminen on kehittynyt vain muutaman kerran: lentoliskoilla, lepakoilla ja ehkä pari kertaa hyönteisillä, Edwards sanoo. Linnut ovat menettäneet lennon useita kertoja. Ei ole tunnettuja esimerkkejä siitä, että lento olisi saatu takaisin, kun se on kerran menetetty, hän sanoo.

Tutkijat havaitsivat myös, että yli 200 proteiineja koodaavaa geeniä kehittyi – keräsi mutaatioita – odotettua nopeammin lentokyvyttömillä sileälastaisilla rotilla, mutta nämä geenit liittyivät pikemminkin aineenvaihduntaan kuin siipien kutistumiseen. Nämä proteiineja koodaavat muutokset eivät ole yhtä tärkeitä lentokyvyttömyyden menettämisen kannalta kuin säätelevät DNA-muutokset, päättelevät tutkijat.

Todisteet eivät vakuuta evoluutiobiologi Luisa Pallaresia Princetonin yliopistosta. ”Tämä paperi pelaa vanhaa peliä”, hän sanoo, ja asettaa säätelydna-muutokset ja proteiineja koodaavat muutokset vastakkain evolutiivisen merkityksen suhteen. ”Itse en näe siinä mitään järkeä.” Molempia tapahtuu, ja ne voivat olla yhtä tärkeitä evoluution muotoutumisessa, hän sanoo.