8 Δεκεμβρίου 2022

Κωνσταντίνος Τριανταφυλλίδης: Αρχαιογονιδιωματική και το τι μας κάνει μοναδικά ανθρώπους;

Η ανθρωπότητα ανέκαθεν ενδιαφέρεται για την προέλευσή της. Από πού ήρθαμε και πώς σχετιζόμαστε με αυτούς που έζησαν πριν από εμάς; Τι μας κάνει να διαφέρουμε από τους πληθυσμούς ανθρωποειδών που εξαφανίστηκαν; Απάντηση σε μερικά από αυτά τα ερωτήματα έδωσε ο Καθηγητής Σβάντε Πάαμπο. Ως εκ τούτου, στον  Σουηδό γενετιστή της ανθρώπινης εξέλιξης Σβάντε Πάαμπο, πρωτοπόρο της Αρχαιογενωματικής,  απονεμήθηκε το Νόμπελ Ιατρικής και Φυσιολογίας 2022, για την πλήρη αλληλούχιση του DNA του ανθρώπου του Νεάντερνταλ.

Οι Νεάντερταλ, οι στενότεροι εξαφανισμένοι φυλογενετικά συγγενείς μας, ζούσαν στην Ευρασία πριν από 430.000 χρόνια μέχρι που εξαφανίστηκαν πριν από περίπου 40.000 χρόνια. Το DNA που ανακτήθηκε από αρχαία δείγματα αποκάλυψε ότι οι Νεάντερταλ ζευγάρωσαν με τους ανατομικά σύγχρονους ανθρώπους και απέκτησαν απογόνους. Αυτή η ανακάλυψη προκάλεσε σοκ ακόμη και σε ανθρώπους που έψαχναν για ίχνη διασταυρώσεων μεταξύ των δύο ειδών. Κατά συνέπεια, το DNA των Νεάντερταλ επιβιώνει διάσπαρτο σε όλο το ανθρώπινο γονιδίωμα.

΄Ετσι το 1-4% του DNA των σημερινών ανθρώπων -εκτός Αφρικής- προέρχεται από προγόνους των Νεάντερταλ.

Το έργο του Pääbo -που μελέτησε το DNA από Νεάντερταλ, άλλων αρχαϊκών ειδών και των ανατομικά σύγχρονων ανθρώπων- πέρα από την κατανόηση της εξελικτικής διαδικασίας του ανθρώπου έχει επίσης σημαντικές επιπτώσεις για τη σύγχρονη ιατρική. Αν και η αναλογία του ανθρώπινου γονιδιώματος που αποτελείται από αρχαϊκό DNA είναι μικρή, αυτό το γενετικό  υλικό φαίνεται να  συμβάλλει σημαντικά στους κινδύνους ασθενειών που κυμαίνονται από τη σχιζοφρένεια έως την εκδήλωση σοβαρών συμπτωμάτων  COVID-19. Επίσης, σχετίζεται με αυξημένο κίνδυνο εκδήλωσης αλλεργιών, περιστατικών κατάθλιψης, σακχαροδιαβήτη, αιματολογικών διαταραχών, καθώς και προδιάθεσης για ρευματοειδή αρθρίτιδα, υψηλή χοληστερόλη και συσσώρευση λίπους στην περιφέρεια της μέσης. Επιπρόσθετα,  παραλλαγές του DNA του Νεάντερνταλ που παραμένουν στο γονιδίωμά μας, π.χ. αυτές που επηρεάζουν τον τόνο της χρώσης του δέρματος και την ευκολία με την οποία μαυρίζει κανείς, μπορεί να έχουν δώσει πλεονεκτήματα επιβίωσης στους σύγχρονους ανθρώπους της Ευρώπης για χιλιάδες χρόνια.

Τι μας κάνει μοναδικά ανθρώπους;

Το DNA μας είναι πολύ παρόμοιο (~99%) με αυτό του χιμπατζή. Ο ανθρώπινος, όμως, πρόσθιος εγκέφαλος έχει αυξηθεί σε μέγεθος και πολυπλοκότητα -μετά τη φυλογενετική  διάσπαση μεταξύ της γενεαλογίας ανθρώπου και χιμπατζή- σε σύγκριση με τον εγκέφαλο των χιμπατζήδων προσεγγίζοντας ένα νέο και ανώτερο  επίπεδο γνωστικών λειτουργιών.  Οι κυτταρικές και ανατομικές προσαρμογές έχουν οδηγηθεί από γενετικές αλλαγές στην ανθρώπινη γενεαλογική γραμμή, αλλά οι πραγματικές γενετικές τροποποιήσεις που είναι υπεύθυνες για αυτή την  εξελικτική  διαδικασία ως επί το πλείστον δεν είναι γνωστές ή κατανοητές. Τα γονίδια που κωδικοποιούν πρωτεΐνες είναι εξαιρετικά συντηρημένα μεταξύ ανθρώπου και χιμπατζήδων και υπάρχουν περιορισμένα στοιχεία για ευρύτερο αντίκτυπο των υποκαταστάσεων αμινοξέων στην εξέλιξη του ανθρώπινου εγκεφάλου. Πού λοιπόν οφείλεται αυτή η διαφορετική εξέλιξη του εγκεφάλου των δύο ειδών; Υπάρχουν πλέον γενετικά στοιχεία που προσφέρουν κάποια εύλογη εξήγηση για τις αυξημένες νοητικές δεξιότητες του ανθρώπου.

α) Η εξέλιξη της γλωσσικής δεξιότητας του ανθρώπου. Η γλώσσα αποτελεί ένα μοναδικό χαρακτηριστικό του ανθρώπου, το οποίο πιθανότατα αποτέλεσε την προϋπόθεση για την ανάπτυξη του ανθρώπινου πολιτισμού. Η ικανότητα να αρθρώνουμε λόγο βασίζεται στις ικανότητες, όπως ο έλεγχος του λάρυγγα και του στόματος, οι οποίες απουσιάζουν στους χιμπατζήδες  και τους υπόλοιπους μεγάλους πιθήκους. Το 2001 ερευνητική ομάδα ανακάλυψε ένα γονίδιο, το FOXP2, το οποίο πιθανότατα δίνει απάντηση στα ερωτήματα της εξέλιξης της γλωσσικής δεξιότητας του ανθρώπου.  Μετάλλαξη  στο γονίδιο αυτό σχετίζεται με ένα σοβαρό πρόβλημα ομιλίας που ονομάζεται λεκτική δυσπραξία, μια  διαταραχή του λόγου που ήταν ιδιαίτερα διαδεδομένη σε τουλάχιστον τρεις γενιές σε ένα γενεαλογικό δένδρο. Η διαταραχή είναι  κληρονομική και οδηγεί σε αδυναμία άρθρωσης βασικών ήχων και συλλαβών. Αυτά τα ευρήματα αναγνώρισαν το γονίδιο FOXP2 ως το πρώτο γονίδιο που έχει εμπλακεί ποτέ σε μια διαταραχή ομιλίας/γλώσσας.

Το γονίδιο εκφράζεται στον εγκέφαλο του εμβρύου και του ενήλικα. Το πρωτεϊνικό προϊόν του γονιδίου ανήκει σε μια οικογένεια μεταγραφικών παραγόντων, τα μέλη της οποίας διαδραματίζουν σημαντικό ρόλο στη ρύθμιση (ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας) της έκφρασης δεκάδων  γονιδίων, ειδικά για ιστούς και κύτταρα κατά την ανάπτυξη. Αυτό το γονίδιο απαιτείται για τη σωστή ανάπτυξη της ομιλίας και των γλωσσικών περιοχών του εγκεφάλου κατά τη διάρκεια της εμβρυογένεσης και μπορεί να εμπλέκεται σε μια ποικιλία βιολογικών οδών που μπορεί τελικά να επηρεάσουν την ανάπτυξη της γλώσσας.

Αρχικά είχε υποστηριχθεί ότι οι πρωτεΐνες που κωδικοποιούνται από τις εκδόσεις του FOXP2 από τον άνθρωπο και τους χιμπατζήδες διαφέρουν  κατά δύο υποκαταστάσεις αμινοξέων. Μια νεότερη όμως μελέτη από τον Σουηδό νομπελίστα Καθηγητή Πάαμπο διαπίστωσε ότι οι χιμπατζήδες και οι Νεάντερταλ έφεραν τις ίδιες μεταλλάξεις. Οπότε, αμφισβητήθηκε η ιδέα ότι το γονίδιο FOXP2 συνδέεται με την εξέλιξη της γλώσσας, και είναι ειδικό για τους σύγχρονους ανθρώπους. Επιπρόσθετα, το προηγούμενο αποτέλεσμα υποδηλώνει ότι οι τροποποιήσεις στο γονίδιο FOXP2 έγιναν πριν χωριστούν οι δύο φυλογενετικές ομάδες, περισσότερο από μισό εκατομμύριο χρόνια πριν. Ωστόσο, μια άλλη αλλαγή σε  ένα εσώνιο (περιοχή που δεν μεταγράφεται) του γονιδίου FOXP2  άλλαξε στον  σύγχρονο άνθρωπο μετά τον χωρισμό του από τους Νεάντερταλ. Η μετάλλαξη αυτή άλλαξε μάλλον το επίπεδο έκφρασής του γονιδίου με αποτέλεσμα τις βελτιωμένες νοητικές ικανότητες του ανθρώπου.

Ακόμα και αν δεν υπήρξε πρόσφατη εξέλιξη του γονιδίου FOXP2, υπάρχουν ακόμα πολλές ενδείξεις ότι το γονίδιο εμπλέκεται στη γλώσσα. Οι μεταλλάξεις στο γονίδιο FOXP2 προκαλούν γλωσσικές διαταραχές στους ανθρώπους, η λειτουργία του γονιδίου είναι σημαντική για την φωνοποίηση και την κίνηση στον λάρυγγα και το στόμα — και οι δύο λειτουργίες  είναι κρίσιμες για την ανθρώπινη ομιλία.

Βέβαια, θα πρέπει να θυμόμαστε ότι τα  γονίδια καθορίζουν τη δομή και λειτουργία των κυττάρων και, επομένως, των νευρώνων του εγκεφάλου, οι οποίοι με τη σειρά τους αλληλοεπιδρούν, για να επεξεργαστούν τη γλώσσα. Μπορεί μεν το γονίδιο  FOXP2 να αποτελεί ένα καθοριστικό γονίδιο για τη λειτουργία της γλώσσας, αλλά η σχέση αυτή είναι σαφώς έμμεση.

β) O ρυθμιστικός ρόλος του DNA που δεν κωδικοποιεί πρωτεΐνες στη διαφοροποίηση του εγκεφάλου των δύο ειδών.  Ερευνητές εντόπισαν έναν μεταγραφικό παράγοντα, τον ZNF558, ο οποίος εκφράζεται σε βλαστικά νευρικά κύτταρα ανθρώπου,  αλλά όχι σε προγονικά βλαστικά κύτταρα του πρόσθιου εγκεφάλου του χιμπατζή. Ο μεταγραφικός παράγοντας ZNF558 ρυθμίζει την έκφραση ενός μόνο στόχου, του γονιδίου SPATA18. Το πρωτεϊνικό προϊόν του γονιδίου SPATA18 συμβάλει στην ομοιόσταση των μιτοχονδρίων. Τα  μιτοχόνδρια παίζουν  κεντρικό ρόλο στη  μοίρα των βλαστοκυττάρων των νευρώνων και τη   διαδικασία ανάπτυξης του ανθρώπινου εγκεφάλου.

Η γενετική βάση για την έκφραση ή μη του μεταγραφικού παράγοντα NF558 στα κύτταρα του  ανθρώπου και χιμπατζή ελέγχεται από το μέγεθος μιας διαδοχικής επανάληψης μεταβλητού αριθμού νουκλεοτιδίων (VNTR), που δεν κωδικοποιεί πρωτεΐνη. Ειδικότερα, σε ανθρώπους η επανάληψη είναι μήκους 30–40 νουκλεοτιδίων, και η αλληλουχία  συνδέεται με την ενεργή έκφραση του μεταγραφικού παράγοντα ZNF558. Αντίθετα, στους χιμπατζήδες η αλληλουχία αυτή είναι πολύ μεγαλύτερη από 40 μονάδες  και αυτό σχετίζεται με καταστολή της έκφρασης του μεταγραφικού παράγοντα  ZNF558 με τελικό αποτέλεσμα και τη  μη λειτουργία του γονιδίου SPATA18. Τα αποτελέσματα αυτά παρέχουν μοριακή εξήγηση του πως η ρύθμιση της έκφρασης του γονιδίου ZNF558, και η εν συνεχεία επιλογή της συνέβαλε  στη μοναδική εξέλιξη του ανθρώπινου εγκεφάλου.

 γ) Το γονίδιο στο οποίο οφείλουμε τον μεγάλο μας εγκέφαλο. To γονίδιο ARHGAP11B  φαίνεται να έχει παίξει ρόλο κλειδί στην αύξηση του μεγέθους και της πολυπλοκότητας του ανθρώπινου εγκεφάλου, κάνοντάς τον να ξεχωρίζει στο ζωικό βασίλειο. Ειδικότερα,  το συγκεκριμένο γονίδιο είναι ιδιαίτερα ενεργό στα βλαστοκύτταρα του ανθρώπινου εγκεφάλου, ρυθμίζοντας έτσι τον πολλαπλασιασμό των εγκεφαλικών κυττάρων (νευρώνων) στον νεοφλοιό, στην περιοχή εκείνη του φλοιού που είναι ζωτική για τη λογική, τη γλώσσα και την αισθητηριακή αντίληψη. Για να διευκρινιστεί αυτό,  ερευνητική ομάδα μελέτησε τα επίπεδα έκφρασης του γονιδίου ARHGAP11B σε εγκεφαλικά οργανοειδή χιμπατζή και ανθρώπινου εγκεφάλου.

Στο οργανοειδές του εγκεφάλου του χιμπατζή, το γονίδιο ARHGAP11B οδήγησε σε αύξηση των βλαστικών κυττάρων του εγκεφάλου που σχετίζονται με την ανάπτυξη του εγκεφάλου και σε αύξηση των νευρώνων που παίζουν κρίσιμο ρόλο στις εξαιρετικές νοητικές ικανότητες των ανθρώπων. Από την άλλη πλευρά, όταν ή έκφραση του γονιδίου ARHGAP11B απενεργοποιηθεί στα οργανοειδή του ανθρώπινου εγκεφάλου, η ποσότητα αυτών των βλαστικών κυττάρων του εγκεφάλου πέφτει στο επίπεδο ενός χιμπατζή. Έτσι, η ερευνητική ομάδα μπόρεσε να αποδείξει ότι το γονίδιο ARGHAP11B συνέβαλε σημαντικά στην επέκταση, δηλαδή  περισσότερους νευρώνες και περισσότερες διασυνδέσεις μεταξύ αυτών των νευρώνων, του νεοφλοιού με αποτέλεσμα τις εξαιρετικές νοητικές ικανότητες του ανθρώπου.

Μελλοντικά, παρόμοιες έρευνες θα μπορούσαν να δημιουργήσουν μια λίστα με αλληλουχίες DNA που δίνουν στον εγκέφαλο κάποιες ικανότητες που είναι χαρακτηριστικά ανθρώπινα. Αυτό θα μπορούσε να είναι σημαντικό για την κατανόηση του τι πάει λανθασμένα σε ασθένειες του εγκεφάλου. Θα μπορούσε όμως κάποιος “επιστήμονας” να χρησιμοποιήσει αυτές τις πληροφορίες για να κάνει τον εγκέφαλο ενός μη ανθρώπινου είδους να μοιάζει περισσότερο με ανθρώπινο – για να δημιουργήσει το είδος των υπερχιμπατζήδων που κορόιδευαν τους ανθρώπους στον «Πλανήτη των Πιθήκων»; Ας ελπίσουμε ότι η γνώση αυτή θα χρησιμοποιηθεί μόνο για το καλό της ανθρωπότητας μια και περίπου 450 εκατομμύρια άνθρωποι στον κόσμο πάσχουν από διάφορα είδη εγκεφαλικών διαταραχών.

Κωνσταντίνος Τριανταφυλλίδης

Ομότιμος Καθηγητής Γενετικής και Γενετικής του Ανθρώπου,

Τμήμα Βιολογίας, Α.Π.Θ.  email: [email protected]

Πηγή

Αν θέλετε να μαθαίνετε πρώτοι όλα τα νέα της Υγείας, κάνε Like στη σελίδα μας στο Facebook

Σχετικά άρθρα

Τελευταία Νέα

efimerevonta-nosokomeia
efimerevonta-farmakeia

Δημοφιλή Εβδομάδας