Slim er overalt omkring og indeni dig:Ny forskning om dets oprindelse giver indsigt i genetisk evolution

Slim er overalt. Det former konsistensen af ​​dine kropsvæsker, fra spyttet i din mund til det kludder, der dækker dine organer. Det beskytter dig mod patogener, inklusive coronavirus, mens du skaber et hjem i munden for milliarder af venlige bakterier. Det hjælper snegle med at få Spiderman-sex hængende fra vægge, hagfish forvandler vand til hurtigt ekspanderende lort, lampretter filtrerer deres mad, og swiftlets bygger rede.

Men selvom slim er afgørende for alle former for komplekst liv, er dets evolutionære oprindelse forblevet uklart.

Jeg er en evolutionær genetiker, der studerer, hvordan mennesker og deres genomer udvikler sig. Sammen med mine kolleger, inklusive min mangeårige samarbejdspartner Stefan Ruhl og min elev Petar Pajic, tog vi fat på dette evolutionære puslespil i vores nyligt udgivne papir. Vi startede med at se på, hvordan spytslim laves i forskellige arter. Det, vi fandt ud af, var, at slim åbner et vindue til den rolle, som gentagne DNA spiller i evolutionens mysterier.

Hvad er muciner?

Slim består af proteiner kaldet muciner, som er kar til sukkermolekyler. Disse sukkerarter er de vigtigste eksperter i at gøre tingene slimede.

I modsætning til andre proteiner, som typisk har indviklede 3D-former, tager muciner ofte form af lange, stive stænger. Sukkermolekyler er fastgjort langs stængerne, hvilket skaber komplekse, børstelignende strukturer.

Dette partnerskab mellem proteinbyggesten og de sukkerarter, der er bundet til dem, gentaget igen og igen, er afgørende for mucinernes egenskaber. Disse strukturer kan klæbe til andre muciner og mikrober og ændre de fysiske egenskaber af de væsker, der omgiver dem, til et klæbrigt og slimet stof.

Udviklingen af ​​slim

På trods af de bemærkelsesværdige egenskaber, muciner har og deres væsentlige rolle i biologien, har videnskabsmændene undgået, hvordan de udviklede sig.

For at begynde at finde ud af mucinernes evolutionære oprindelse begyndte mine kolleger og jeg med at lede efter fælles genetiske forfædre for muciner på tværs af 49 pattedyrarter. Når alt kommer til alt, roder evolutionen ofte, men opfinder sjældent. Den nemmeste måde for et nyt gen at udvikle sig på er ved at kopiere og indsætte et eksisterende og lave små ændringer i den nye kopi, så den passer til de miljømæssige omstændigheder. Chancerne for, at en art selvstændigt opfinder et komplekst mucin fra bunden, er astronomisk lille. Vores forskerhold var sikre på, at kopiering og indsættelse af eksisterende mucin-gener, der derefter tilpasser sig en bestemt arts behov, var hoveddrivkraften bag mucin-evolution.

Men vores oprindelige antagelser viste sig at være ufuldstændige. Kopiering og indsættelse af mucin-gener i et genom bør føre til dattergener, der har ligheder med hinanden. Selvom nogle muciner passede til vores kriterier, gennemgik en tidligere undersøgelse alle kendte gener, der koder for muciner i mennesker, og fandt en række "forældreløse" muciner, der ikke tilhører nogen genfamilie. De eksisterer alene i det store landskab af det menneskelige genom.

Vi fokuserede derefter på at søge efter sådanne forældreløse gener i genomerne af snesevis af arter i genetiske databaser. Vi fandt 15 tilfælde af nye mucin-gener, der udviklede sig i forskellige pattedyr, uden nogen forbindelse til kendte mucin-gener.

Yderligere undersøgelser afslørede imidlertid, at disse mucin-gener trods alt har slægtninge. De deler herkomst med andre stavlignende proteiner rige på aminosyren prolin, som almindeligvis findes i spyt. Disse proteiner, der er rige på prolin, har imidlertid ikke de vigtigste gentagne proteinstrukturer, der hjælper muciner med at binde til sukkermolekyler.

Vi antog, at disse proteiner rige på prolin kunne gennemgå "mucinisering" ved gentagne gange at tilføje proteiner, der binder til sukkermolekyler, kaldet glycoproteiner. For at teste dette sammenlignede vi sekvenserne af gener, der koder for muciner, og gener, der koder for proteiner rige på prolin i forskellige pattedyr, inklusive mennesker. Vi fandt ud af, at sekvenserne var meget ens. Den eneste forskel var tilstedeværelsen af ​​gentagne segmenter af glycoproteiner i muciner. Hvad dette betød er, at visse proteiner kunne transformeres til muciner blot ved at tilføje kopier af disse gentagne segmenter.

Gentagende DNA og evolution

Vores resultater afslører mangfoldigheden af ​​muciner i en hel måde af skabninger, hvilket åbner et udsyn til evolutionens slimede legeplads for tilpasning.

Forskere ignorerer ofte gentagne genetiske sekvenser, fordi de sjældent forekommer i gener, der koder for de proteiner, der udfører mange biologiske funktioner i celler. Men i tilfælde af muciner viser det sig at skabe gentagelsessekvenser fra bunden at være en vigtig motor for deres udvikling. Vores tidligere arbejde med primater tyder på, at antallet af gentagne sukkerbindende segmenter, der er i en given mucin, kan være den faktor, der bestemmer dets forskelle fra andre.

Det er muligt, at tilføjelsen af ​​gentagne genetiske sekvenser også diskret kan forme andre funktioner på tværs af genomet. Sådanne tandemgentagelser er faktisk en almindelig type mutation i det menneskelige genom, og nyere undersøgelser tyder på deres uopdagede rolle i biologisk variation mellem mennesker.

Muciner og menneskers sundhed

At forstå, hvordan muciner virker, vil også hjælpe forskere til bedre at forstå en række sygdomme.

Når muciner ikke virker ordentligt, kan det føre til sygdom. Mennesker med et defekt CFTR-gen udvikler cystisk fibrose, hvor deres kroppe ikke er i stand til at fjerne slim fra deres lunger og gør det svært at trække vejret. Fejlfungerende mucinregulering er også forbundet med kræftudvikling.

Selvom det måske ikke er indlysende, har du sandsynligvis en personlig forbindelse til muciner. For to år siden besøgte jeg min mor efter hendes kræftdiagnose. Regnen var netop slut, og Istanbuls gader bliver en travl landsby af nervøs store snegle. Under en kort gåtur med min mor samlede jeg en af ​​de snegle op med fascination, til hendes store rædsel.

Jeg havde ikke hjertet til at fortælle hende, at den biologiske mekanisme, der tillader disse fantastiske væsner at bevæge sig, var den samme, der hjælper tumoren i hendes lunger med at vokse. Det mindede mig om videnskabsmanden Michael Faradays ord:"Uanset hvad du ser på, hvis du ser på det nøje nok, er du involveret i hele universet." + Udforsk yderligere

Udviklingen af ​​slim:Hvordan fik vi alt dette slim?

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs den originale artikel.