DNA-analyser gir ny kunnskap om slektskapet mellom levende organismer.
Av Anne K. Brysting og Marte H. Jørgensen i tidsskriftet GENialt
Helt siden siste halvdel av 1700-tallet, har slektskapet mellom levende organismer (fylogeni) blitt presentert i form av et tre. De tidlige slektskapstrærne (se for eksempel Figur 1) var basert på intuitiv forståelse av de egenskapene biologene studerte hos ulike organismer. Moderne fylogenetiske metoder slik vi kjenner og bruker dem i dag, utviklet seg på 1950- og 60-tallet da man fikk mer objektive metoder for å lage slektskapstrær.
De første slektskapstrærne var inspirert av den gamle forestillingen om naturens stige (scala naturae), hvor Guds skaperverk ble vist i stigende orden med ikke-levende ting (mineraler og stein) nederst, via planter og dyr til mennesket, og med englene og Gud tronende på toppen. Tidlig i karrieren trodde Jean-Baptiste Lamarck (1744—1829) også på scala naturae. Seinere endret han oppfatning og publiserte i 1809 et treliknende diagram over dyreriket hvor han forklarte forgreiningene ved hjelp av evolusjon, som et resultat av ervervete egenskaper. Charles Darwin (1809—82) publiserte noen tiår seinere teorien om naturlig utvalg som drivkraft for evolusjonen. Fra Darwins hånd kjenner vi en skisse av livets tre i en tidlig notisbok (1837—38) i tillegg til en skjematisk illustrasjon av livets tre i On the Origin of Species (1859). Siden har mange ulike versjoner av livets tre blitt publisert. Slektskapstrærne til Ernst Haeckel (1834—1919) er blant de vakreste.
Hvordan har DNA-analyser endret livets tre?
Frem til 1970-tallet var det hovedsakelig ytre (morfologiske) egenskaper som ble brukt til å bygge slektskapstrær. Oppdagelsen av DNA-molekylets struktur av James Watson og Francis Crick i 1953 ga helt nye muligheter. De påfølgende tiårs utvikling og forfining av metoder, ikke minst utviklingen av PCR-metoden for oppformering av små DNA-fragmenter, gjorde det mulig å tegne livets tre ved hjelp av analyser av organismenes DNA. Med den raske utviklingen av teknologi for å lese av DNA-sekvenser det siste tiåret har mengden tilgjengelige sekvensdata økt eksplosivt. Den store utfordringen er nå å få utviklet metoder for analysering av data (bioinformatikk) som kan håndtere de enorme mengder sekvensdata.
Fordelene ved å bruke DNA-sekvenser til å bygge slektskapstrær er opplagte. Det finnes ikke én eneste ytre (morfologisk) egenskap som kan brukes til å analysere alle organismer samtidig – fra bakterier til pattedyr. Men det finnes gener som er essensielle for alt liv, fordi de koder for proteiner som er sentrale funksjoner i alle levende celler. I disse tilfellene er gensekvensen bevart relativt uforandret (konservert) gjennom evolusjonen, og kan brukes til å studere de tidlige forgreiningene i livets tre.
Som de første publiserte Carl Woese og George Fox i 1977 en versjon av livets tre basert på slike konserverte DNA-sekvenser. De delte organismene inn i tre opprinnelige linjer (domener); bakterier, arkebakterier og eukaryoter, som alle har én felles forfar. Eukaryotene er organismer med cellekjerne. De omfatter alle flercellede organismer inkludert planter, dyr og sopp, samt de hovedsakelig encellede protistene. Woese og Fox skilte arkebakteriene og bakteriene i egne domener. De viste at arkebakteriene, i motsetning til det man tidligere trodde, var nærmere beslektet med eukaryotene enn med bakteriene. Med utgangspunkt i lignende DNA-analyser er det i dag satt i gang store internasjonale samarbeidsprosjekter med det ambisiøse målet å bygge livets tre for alle verdens organismer (Assembling the Tree of Life).
I noen tilfeller har slektskapstrær basert på DNA-analyser bekreftet de evolusjonære sammenhengene som har blitt foreslått ut fra annen type kunnskap. I andre tilfeller har de snudd opp ned på det vi trodde vi visste. Uansett har de understreket hvor mangfoldig og komplisert slektskapet mellom organismene er.
En eller flere røtter på livets tre?
La oss starte med roten. Så lenge vi har brukt treet som metafor for evolusjonært slektskap, har vi forestilt oss at alt liv på jorden har ett enkelt opphav, én felles stamform. Intuitivt har vi antatt at dette var en enkel encellet organisme.
På 1990-tallet stilte Woese og flere andre med ham, spørsmål ved den gjeldende hypotesen om at én enkelt organisme har gitt opphav til alle nålevende organismer. De foreslo i stedet et scenario med horisontal genoverføring innen et samfunn bestående av mange éncellete organismer. Allerede tilbake på 1950-tallet var vi klar over at horisontal overføring av gener (i motsetning til vertikal nedarving av gener fra foreldre til avkom) forekommer på tvers av artsbarrierer hos bakterier. Nå vet vi at horisontal genoverføring forekommer ganske hyppig og er kanskje den vanligste formen for genoverføring hos éncellete organismer. Basert på slik kunnskap er det mulig å tenke seg et sammensurium eller løst nettverk av linjer ved basis av treet, snarere enn en enkel rot. I en artikkel fra 2010 testet Douglas Theobald hypotesen om at livets tre har oppstått fra én enkelt forfar mot hypotesen om flere forfedre. Han brukte 23 sterkt konserverte proteinsekvenser som representerte alle tre domener (bakterier, arkebakterier og eukaryoter), og fant solid støtte for det første alternativet; én felles forfar og altså én rot på livets tre. Det betyr selvfølgelig ikke at livet ikke kan ha oppstått parallelt flere ganger, men bare én av disse opprinnelige linjene har etterkommere som har overlevd til i dag. Uansett er nok ikke det siste ordet sagt i denne saken.
Nylig har forskere ved Universitetet i Oslo ved hjelp av DNA-analyser identifisert en ny linje eller hovedgrein innen den eukaryote delen av livets tre (Figur 2). Det dreier seg om en mikroorganisme som hører til blant verken protistene, plantene, soppene eller dyrene. Analysene til Dag Klaveness og hans samarbeidspartnere tyder på at denne organismen er blant de eldste, nålevende eukaryote organismene vi kjenner, og at den kan gi verdifull informasjon om hvordan det tidlige eukaryote livet på Jorda så ut.
Vokser greinene aldri sammen igjen?
Mange ekte trær og langt de fleste publiserte slektskapstrær har gaffeldelt forgreining: en grein deler seg alltid i to nye greiner som aldri vokser sammen igjen høyere opp. Men som nevnt foregår det i virkeligheten stor grad av horisontal genoverføring i deler av treet, spesielt blant bakterier og arkebakterier. DNA-analyser har også vist at gener potensielt kan overføres fra bakterier til eukaryoter eller mellom eukaryoter. Nye forskningsresultater har for eksempel påvist horisontal genoverføring mellom parasittiske planter og deres respektive vertsplanter. Et annet studie har vist at gener for ulike fargestoffer (karotenoider som ellers ikke finnes hos insekter) har blitt overført fra sopp til bladlus. Slik evolusjon illustreres bedre av et nettverk med greiner som går på kryss og tvers. At horisontal genoverføring skjer mellom nært beslektede organismer er veletablert. Det er imidlertid mer usikkert hvor vanlig det er mellom organismer som ikke er nært beslektede, og hvor stor innflytelse det har på livets tre.
Hybrid artsdannelse, hvor en ny art oppstår som resultat av at to andre arter krysser seg med hverandre, vil på samme måte føre til at slektskapstreet ikke bare har gaffeldelt forgreining, men at noen greiner går sammen igjen slik at det dannes et nettverk. Hybrid artsdannelse betraktes som ytterst sjeldent hos dyr. Gjennom DNA-analyser har Glenn-Peter Sætre og hans studenter ved Universitetet i Oslo imidlertid vist at italiensk spurv har oppstått som resultat av en krysning mellom middelhavsspurv og gråspurv. Den italienske spurven har en blanding av genene til de to foreldreartene. Blant fuglene kjenner man til ett annet slikt eksempel. I tillegg vet man om flere eksempler blant sommerfuglene. Men vi kjenner i dag ikke til mer enn totalt 10—15 eksempler på hybrid artsdannelse i dyreriket. Uten hjelp av DNA-analyser ville det vært ekstremt vanskelig å oppdage og påvise hybrid artsdannelse, og det er sannsynlig at flere eksempler vil dukke opp i fremtiden.
Hybrid artsdannelse er mye vanligere og mer akseptert som en viktig artsdannelsesprosess i planteriket enn i dyreriket, da ofte i kombinasjon med genomfordobling (polyploidisering). Genomfordobling kan skje på ulike måter. Iblant danner en organisme kjønnsceller uten at kromosomtallet halveres som normalt. Hvis slike ikke-reduserte kjønnsceller fra to forskjellige foreldrearter smelter sammen, får hybriden fire sett kromosomer i stedet for de vanlige to. Den får altså fordoblet antall kromosomer. Dette kan hjelpe den nye hybriden med å overvinne enkelte problemer med celledeling og reproduksjon som hybridavkom ellers kan slite med. Ved hjelp av DNA-analyser har man avdekket mange eksempler på at en ny art oppstår ved kryssing mellom to andre arter og at genomene samtidig dobles eller flerdobles. Det resulterer i slektskap som illustreres bedre med et nettverk enn et gaffelgreinet tre (Figur 3).
Utviklingen av teknologien har gjort det mulig å lese av den komplette DNA-koden (genomet) til en organisme. Sammenligning av slike data fra ulike plantearter viser at genomfordobling ikke bare er en vanlig form for artsdannelse som skjer her og nå. Vi finner spor etter mange gamle genomfordoblinger, for eksempel i opprinnelsen til frøplantene og blomsterplantene. Det er sannsynlig at disse genomfordoblingene har vært viktige, kanskje til og med avgjørende, for utviklingen av mangfoldet innen disse plantegruppene. Også i dyreriket finnes det spor etter gamle genomfordoblinger, for eksempel i linjen som fører frem til virveldyrene.
Fremtidige nyvinninger
Å tegne livets tre for alle organismer er en kjempeoppgave fordi livet på jorden er så mangfoldig og komplekst og har en historie som går flere milliarder år tilbake. Vi vil nok aldri komme frem til det fullkomne tre, til det har vi mistet for mye informasjon underveis, og fortsatt er det mange arter som ikke har blitt oppdaget. Men DNA-analyser, ikke minst den nyeste utviklingen innen sekvenseringsteknologi, har økt mulighetene betraktelig. Den enorme kunnskapen om organismene som vi får gjennom den prosessen det er å tegne livets tre, vil ikke bare øke vår viten om slektskapet mellom organismene. Den vil også kunne utnyttes til fremtidige nyvinninger innen industri, landbruk og sykdomsbekjempelse.
Referanser:
Archibald, J.D. 2009. Edward Hitchcock’s Pre-Darwinian (1840) ”Tree of Life”. Journal of the History of Biology 42: 561—592.
Doolittle, W.F. 2000. Uprooting the tree of life. Scientific America 2000: 90—95.
Haeckel, E. 1866. Generelle Morphologie der Organismen. Allgemenine Grundzüge der organischen Formen-Wissenschaft, mechanisch begründet durch die von Charles Drawin reformierte Descendenztheorie. Volume 2. De Gruyter, Berlin.
Hermansen, J.S., Sæther, S.A., Elgvin, T.O., Borge, T., Hjelle, E. & Sætre, G.-P. 2011. Hybrid speciation in sparrows I: phenotypic intermediacy, genetic admixture and barriers to gene flow. Molecular Ecology 20: 3812—3822.
Marcussen et al. 2012. Infering species networks from gene trees in high-polyploid North American and Hawaiian violets (Viola, Violaceae). Systematic Biology 61:107—126.
Theobald, D.L. 2010. A formal test of the theory of universal common ancestry. Nature 465: 219—223.
Woese, C. & Fox, G. 1977. Phylogenetic structure of the prokaryotic domain: the primary kingdoms. Proc Natl Acad Sci USA 74: 5088—90.
Zhao, S., Burki, F., Bråte, J., Keeling, PJ, Klaveness, D. & Shalchian-Tabrizi, K. 2012. Collodictyon – an ancient lineage in the tree of eukaryotes. Molecular Biology and Evolution 29: 1557—1568.
