Prehistoryczne białka pomagają naukowcom odkryć tajemnice ewolucji człowieka
Możliwość sekwencjonowania antycznego DNA z ludzkich skamieniałości zrewolucjonizowała naszą wiedzę o ewolucji człowieka. Nie tylko uchyliła rąbka tajemnicy na temat interakcji homo sapiens z innymi przedstawicielami rodziny człowiekowatych, takimi jak neandertalczycy i denisowianie, ale także pozwoliła naukowcom przyjrzeć się bliżej zależnościom pomiędzy genomem człowieka, patogenami i doborem naturalnym. „Naukowcy mogli w końcu odpowiedzieć na niektóre pytania dotyczące historii człowieka dzięki wykorzystaniu filogenetycznie przydatnych biocząsteczek z naszej odległej przeszłości”, mówi Frido Welker, adiunkt na Uniwersytecie Kopenhaskim. Ale ten przełom w nauce nie zmienił jednego – DNA ma swoje ograniczenia. „Problem z DNA jest taki, że nie jest w stanie przetrwać zbyt długo – tylko około kilkudziesięciu tysięcy lat”, dodaje Welker. „Przynajmniej z perspektywy ewolucyjnej oznacza to, że nie mamy zbyt wiele czasu na bezpośrednie badanie ewolucji człowieka bez konieczności wyciągania wniosków na temat przeszłości”. Welker znalazł jednak rozwiązanie tego problemu w postaci wykorzystania prehistorycznych białek pozyskanych ze skamielin hominidów. Dzięki wsparciu finansowanego przez UE projektu HOPE udało mu się wykazać, że jest to metoda przynosząca świetne rezultaty.
Historia zapisana w białku
Welker wpadł na pomysł wykorzystania białek do badań historii ewolucji podczas wcześniejszych prac, kiedy wraz z innymi naukowcami odkrył, że w pradawnych skamieniałościach zwierząt zachowały się informatywne sekwencje białek. Welker uświadomił sobie wtedy, że gdyby udało się przeanalizować sekwencje białek hominidów w wiarygodny sposób, można by je potencjalnie uznać za filogenetycznie informatywne. „Białka zbudowane są z sekwencji aminokwasów, których struktura jest z kolei zaszyfrowana w genomie, w kodujących białka sekwencjach DNA, więc takie sekwencje aminokwasów też mogą być filogenetycznie informatywne”, wyjaśnia Welker. „Co więcej, białka są w stanie przetrwać znacznie dłużej niż antyczne DNA”. Podczas realizacji projektu HOPE, który otrzymał wsparcie z działania „Maria Skłodowska-Curie”, Welker postawił sobie jeden cel: wykazać skuteczność takiego podejścia, wykorzystując do tego kilka skamieniałości hominidów uznanych za starsze niż okres przetrwania antycznego DNA. „Dokładne ustalenie sekwencji aminokwasów jest trudne, zwłaszcza w przypadku starożytnych białek”, zauważa Welker. Na przykład jednym z wyzwań, z jakimi naukowcy musieli się zmierzyć, była niejednorodność i fragmentaryczność takich pradawnych sekwencji, a także duże różnice pomiędzy nimi a dostępnymi sekwencjami referencyjnymi. Kolejnym problemem były zanieczyszczenia próbek podczas prowadzenia wykopalisk, pozyskiwania białek i przeprowadzania analiz laboratoryjnych.
Ekscytujący okres ewolucji
Aby sprostać tym wyzwaniom, zespół opracował nowe podejścia łączące metody chemiczne i obliczeniowe. „Wprawdzie daleko im do doskonałości, ale dzięki nim byliśmy pewni, że sekwencje białek wykorzystywane do analizy filogenetycznej nie tylko pochodziły z badanych skamieniałości, ale także reprezentowały prawidłową sekwencję aminokwasów”, dodaje Welker. Innowacyjne metody przyniosły efekt: „Udało nam się odkryć, w jaki sposób białka zachowane w szkliwie są w stanie przetrwać przez co najmniej 2 miliony lat na obszarach z klimatem umiarkowanym i tropikalnym”, wyjaśnia Welker. „To z kolei pozwoliło nam wysekwencjonować białka ze starożytnej fauny: wymarłego gatunku małpy człekokształtnej i dwóch wymarłych gatunków człowiekowatych – Homo erectus i Homo antecessor”. Zespół projektu HOPE udowodnił, że starożytne białka mogą być interesujące z punktu widzenia filogenetyki i tym samym wyznaczył nowy kierunek badań nad ewolucją człowieka. Welker pracuje obecnie nad dalszym rozwojem tego podejścia w ramach projektu PROSPER, którego zespół zamierza zastosować niektóre rezultaty projektu HOPE podczas badań obejmujących ostatni milion lat ewolucji człowieka. „Jest to naprawdę ekscytujący okres w ewolucji człowieka, więc zastosowanie analizy starożytnych białek do jego badania może przyczynić się do rozwiązania niektórych zagadek z dziedziny biologii”, podsumowuje Welker.
Słowa kluczowe
HOPE, białka, ewolucja człowieka, ewolucja, skamieniałości, DNA, sekwencje białek, filogenetyczny
