Czy ludzie mogliby być jadowici?

Czy u ludzi mógłby wyewoluować jad? Jest wysoce nieprawdopodobne, aby ludzie dołączyli do grzechotników i dziobaków w szeregu jadowitych zwierząt, ale nowe badania pokazują, że ludzie mają zestaw narzędzi do produkcji jadu – tak naprawdę mają wszystkie gady i ssaki.

Ten zbiór elastycznych genów, szczególnie związanych z gruczołami ślinowymi u ludzi, wyjaśnia, w jaki sposób jad wyewoluował ponad 100 razy w królestwie zwierząt niezależnie od nietoksycznych przodków.

„Zasadniczo mamy wszystkie elementy budulcowe na miejscu” – powiedziała współautorka badania Agneesh Barua, doktorantka genetyki ewolucyjnej z Okinawa Institute of Science and Technology w Japonii.

Jad w jamie ustnej jest powszechny w całym królestwie zwierząt i występuje u stworzeń tak różnorodnych, jak pająki, węże i kukang, jedyny znany jadowity gatunki naczelnych. Biolodzy wiedzieli, że gruczoły jadowe jamy ustnej to zmodyfikowanymi gruczołami ślinowymi, ale nowe badania ujawniają mechanikę molekularną stojącą za tą zmianą.

„To będzie prawdziwy przełom w tej dziedzinie” – powiedział Bryan Fry, biochemik i ekspert od jadów z Uniwersytetu Queensland w Australii, który nie brał udziału w badaniach. „Wykonali absolutnie rewelacyjną robotę, wykonując niezwykle złożone badania”.

Elastyczna broń

Jad jest najlepszym przykładem elastyczności natury. Wiele toksyn w jadzie występuje u bardzo różnych zwierząt; niektóre składniki jadu stonogi, na przykład, znajdują się również w jadzie węża, powiedział Ronald Jenner, badacz jadu z Muzeum Historii Naturalnej w Londynie, który nie brał udziału w badaniach.

Nowe badanie nie koncentruje się na samych toksynach, ponieważ te szybko ewoluują i stanowią złożoną mieszankę związków, powiedziała Barua. Zamiast tego Barua i współautor badania Aleksander Mikhejew, biolog ewolucyjny z Australian National University, który koncentruje się na genach „porządkowych”, genach związanych z jadem, ale nie odpowiedzialnych za tworzenie toksyn. Te geny regulatorowe stanowią podstawę całego systemu jadu.

Naukowcy rozpoczęli od genomu Trimeresurus mucrosquamatus, dobrze zbadanej brązowej żmii grzechotnikowatej, po części dlatego, że jest to gatunek inwazyjny na Okinawie.

„Ponieważ znamy funkcję wszystkich genów obecnych w zwierzęciu, mogliśmy po prostu zobaczyć, z jakimi genami są powiązane geny jadu” – powiedziała Barua.

Zespół przyjrzał się genom Trimeresurus mucrosquamatus związanym z jadem. (Zdjęcie: Alexander Mikheyev)

Zespół odkrył konstelację genów, które są wspólne dla wielu tkanek ciała u wszystkich owodniowców [amniotes]. ( Owodniowce to zwierzęta, które zapładniają swoje jaja wewnętrznie lub składają jaja na lądzie; obejmują gady, ptaki i niektóre ssaki). Wiele z tych genów jest zaangażowanych w zwijanie białka (protein folding), powiedziała Barua, co ma sens, ponieważ jadowite zwierzęta muszą wytwarzać duże ilości toksyn, które są zbudowane z białek.

„Tkanka taka jak ta naprawdę musi mieć pewność, że wytwarzane przez nią białko jest wysokiej jakości” – powiedziała.

Nic dziwnego, że te same rodzaje regulujących genów odpowiedzialnych za białka wysokiej jakości w organizmie występują obficie w ludzkim gruczole ślinowym, który również wytwarza w dużych ilościach ważne “koktajle białkowe” – znajdujący się w ślinie. Ta podstawa genetyczna umożliwia szeroki wachlarz niezależnie wyewoluowanych jadów w całym królestwie zwierząt.

Od niejadowitego do jadowitego

Innymi słowy, każdy ssak lub gad ma genetyczne rusztowanie, na którym zbudowany jest ustny system jadowy. A ludzie (wraz z myszami) również wytwarzają kluczowe białko które są składnikami wielu jadów. Kalikreiny, które są białkami, które trawią inne białka, są wydzielane ze śliny; są również kluczową częścią wielu jadów. To dlatego, że kalikreiny są bardzo stabilnymi białkami, powiedział Fry, i nie przestają “działać”, gdy zostaną poddane mutacji. W ten sposób łatwo jest uzyskać korzystne mutacje kalikreiny, które sprawiają, że jad jest bardziej bolesny i bardziej śmiercionośny (jednym z efektów kalikreiny jest gwałtowny spadek ciśnienia krwi).

„To nie przypadek, że kalikreina jest najczęstszym składnikiem jadów w całym królestwie zwierząt, ponieważ w każdej postaci jest bardzo aktywnym enzymem” – powiedział Fry.

Kallikreiny są więc naturalnym punktem wyjścia dla teoretycznie jadowitych ludzi.

Gdyby po dramacie [epidemia OCVID] z 2020 roku Barua zażartowała, że „ludzie muszą być jadowici, aby przeżyć, moglibyśmy potencjalnie zacząć widzieć rosnące dawki kalikreiny”.

Ale to nie jest takie proste – chyba że obecnie skuteczne strategie zdobywania pożywienia i wybierania partnerów zaczną się rozpadać. Jenner powiedział, że jad najczęściej ewoluuje jako metoda obrony lub jako sposób na ujarzmienie ofiary. To, jaki rodzaj jadu ewoluuje, zależy w dużej mierze od tego, jak żyje zwierzę.

Ewolucja może zasadniczo dostosować jad do potrzeb zwierzęcia poprzez dobór naturalny, powiedział Fry. Na przykład są węże pustynne, które mają inny jad, mimo że są tego samego gatunku, tylko ze względu na miejsce, w którym żyją, powiedział: Na pustyni, gdzie węże polują głównie na myszy, jad działa głównie na układ krążenia, ponieważ nie jest trudno wężowi wyśledzić umierającą mysz na niewielkim płaskim podłożu. W pobliskich górach skalistych, gdzie węże polują głównie na jaszczurki, jad jest silną neurotoksyną, ponieważ jeśli ofiara nie zostanie natychmiast unieruchomiona, może łatwo schować się w szczelinę i zniknąć na dobre.

Kilka ssaków ma jad. Wampiry [ podrodzina ssaków z rodziny liścionosowatych (Phyllostomidae) odżywiających się krwią zwierząt.], które mają toksyczną ślinę, która zapobiega tworzeniu się skrzepów krwi, wykorzystują swoją broń chemiczną do skuteczniejszego odżywiania się. Jadowite ryjówki i almiki podobne do ryjówek (małe ssaki ryjące), używając jadu do ujarzmienia większej ofiary, niż mogliby zabić w inny sposób. Ryjówki również czasami używają swojego jadu do paraliżowania ofiary (zwykle owadów i innych bezkręgowców) w celu przechowywania “ich na potem”. Tymczasem dziobaki, które nie mają jadowitego ukąszenia, ale mają jadowitą ostrogi na tylnych łapach, używają jadu w walkach z innymi dziobakami o partnerów lub terytorium, powiedział Jenner.

Ludzie oczywiście wynaleźli narzędzia, broń i struktury społeczne, które wykonują większość tych prac bez potrzeby używania jadowitych kłów. – A jad też jest kosztowny – powiedział Fry. Budowanie i składanie wszystkich tych białek wymaga energii. Z tego powodu jad jest łatwo “tracony”, gdy nie jest używany. Fry powiedział, że istnieją gatunki węży morskich, które mają szczątkowe gruczoły jadowe, ale nie są już jadowite, ponieważ przestawiły się z żerowania na rybach na żerowanie na jajach ryb, które nie wymagają toksycznego ukąszenia.

Nowe badania mogą nie budzić wielu nadziei na nowe supermoce dla ludzi, ale zrozumienie genetyki stojącej za kontrolą jadu może być kluczowe dla medycyny, dodał Fry. Gdyby w mózg kobry zacząła się ekspresja genu, który odpowiada za jej gruczoły jadowe, wąż natychmiast umarłby z powodu samotoksyczności. Nauczenie się, w jaki sposób geny kontrolują ekspresję w różnych tkankach, może być pomocne w zrozumieniu chorób, takich jak rak, który powoduje choroby i śmierć w dużej mierze dlatego, że tkanki zaczynają “działać poza kontrolą” i “wydzielają produkty” w miejscach, w których nie powinny.

„Znaczenie tego artykułu wykracza poza ten kierunek studiów, ponieważ stanowi podstawę dla wszystkich tego rodzaju interesujących pytań” – powiedział Fry.

Wyniki badań zostały opublikowane online w poniedziałek (29 marca) w czasopiśmie Proceedings of the National Academy of Sciences.

Źródło: Stephanie Pappas

An ancient, conserved gene regulatory network led to the rise of oral venom systems

Zdjęcie: Alexander Mikheyev

Subscribe
Powiadom o
guest
0 komentarzy
Inline Feedbacks
View all comments
0
Would love your thoughts, please comment.x
()
x