Isfiskarnas färglösa blod och förlorade hemoglobingener

Blodet är rött på grund av det syrebärande proteinet hemoglobin. Nu finns det i och för sig många andra djur som har andra lösningar, men bland ryggradsdjur är det rött blod och hemoglobin som gäller. Vi klarar oss inte något vidare utan — det finns flera olika sorters genetiska anemier som beror på mutationer i generna för hemoglobin. Men det finns fiskar kring Antarktis, isfiskar, som klarar sig utan både hemoglobin och röda blodkroppar. Det är inte några avlägsna släktingar som skildes från andra fiskar innan hemoglobinet kom till — de kommer från förfäder som hade hemoglobin men har förlorat det.

Sidell & O’Brien (2006) har en bild på isfiskarnas grå blod: se figur 1.

Det finns flera gener som kodar för olika delar av hemoglobinproteinet. Isfiskarna saknar proteinet, saknar helt gener för betaglobin men har kvar rester av en gen för alfaglobin. Kopior av gener som muterat sönder på olika sätt brukar kallas pseudogener. En gen kan bli pseudogen om en bit av den försvinner eller en mutation introducerar en ny signalsekvens. Det kan vara en stoppsignal, så att proteinet slutar för tidigt eller en splitssignal, så att icke-kodande sekvenser som inte brukar höra hemma i den kodande delen hamnar där — och så vidare. Isfiskarnas alfaglobingen är bara ett fragment och en art har dessutom tappat en bit till. När en gen väl förlorat sin funktion finns det inte mycket som hindrar att den muterar sönder ännu mer eller försvinner. Och att försvinna helt verkar vara just det öde som drabbat isfiskarnas betaglobin.

På land fungerar det som sagt väldigt dåligt att vara ryggradsdjur utan hemoglobin. Men syre löser sig bättre i kallt än varmt vatten och dessutom har isfiskarna ovanligt stora hjärtan och ovanligt mycket blod. Åsikterna går isär om ifall det färglösa blodet är en anpassning, alltså något som fungerar bättre än rött blod i kallt vatten, men om vi ska tro Sidells & O’Briens sammanfattning av läget är svaret antagligen nej. Det är uppenbarligen en lösning som fungerar, men om den har någon fördel är det oklart vilken det skulle vara.

Icefishuk

(En isfisklarv. Foto: Uwe Kils. CC:BY-SA 3.0 via Wikimedia Commons.)

Men det finns en art hemoglobinlösa isfiskar, Neopagetopsis ionah, som avviker från mönstret (Near, Parker & Dietrich 2006). Den här arten har kvar en sin trasiga betaglobingen, och den har faktiskt inte bara en utan två pseudogener av betaglobin, som verkar komma från olika ursprung och är trasiga på olika sätt. Det verkar som att N. ionah behåller en äldre längre version av sekvensen — efter att betaglobin gått sönder men innan den förlorats helt. Som om det behövdes ett exempel på att genom är röriga och att arters evolutionära historia ibland är något bisarr: pseudogenerna är alltså olika fragment av olika betaglobingener, där den ena mest liknar den från en avlägsnare släkting till isfiskarna. Pseudogenerna verkar ha uppstått i en korsning mellan en anfader eller -moder till isfiskarna och en föregångare till släktingarna i Nothotheniidae där det blivit en misslyckad rekombination mellan de olika versionerna av genen.

Normalt innehåller globinfamiljen både vuxenvarianter och embryovarianter av hemoglobin. Det ovanstående, i alla sin rörighet, är alltså inte ens hela saken. Och isfiskarna saknar röda blodkroppar också, men det är en annan historia.

Litteratur

Near, Parker & Dietrich (2006). A Genomic Fossil Reveals Key Steps in Hemoglobin Loss by the Antarctic IcefishesMol Biol Evol doi: 10.1093/molbev/msl071

Sidell & O’Brien (2006). When bad things happen to good fish: the loss of hemoglobin and myoglobin expression in Antarctic icefishes. J Exp Biol doi: 10.1242/​jeb.02091

From Lisbon

Dear diary,

I’m at the Congress of the European Society for Evolutionary Biology in Lisbon. It’s great, of course and I expected nothing less, but there is so much of it! Every session at ESEB has nine symposia running in parallel, so there are many paths through the conference programme. Mine contains a lot of genomics for obvious reasons.

Some highlights so far:

Juliette de Meaux’s plenary: while talking about molecular basis of adaptations in Arabidopsis thaliana — one study based on a candidate gene and one on a large-effect QTL — de Meaux brought up two fun concepts that would recur in Thomas Mitchel-Olds’ talk and elsewhere:

1) The ‘mutational target’ and how many genes there are that could possibly be perturbed to change a trait in question. The size of the mutational target and the knowledge of the mechanisms underlying the trait of course affects whether it is fruitful to try any candidate gene approaches. My intuition is to be skeptical of candidate gene studies for complex traits, but as in the case of plant pathogen defense (or melanin synthesis for pigmentation — another example that got a lot of attention in several talks), if there is only one enzyme pathway to synthesise a compound and only one step that controls the rate of the reaction, there will be very few genes that can physically be altered to affect the trait.

2) Some of both de Meaux’s and Mitchel-Olds’ work exemplify the mapping of intermediate molecular phenotypes to get at small-effect variants for organismal traits — the idea being that while there might be many loci and large environmental effects on the organismal traits, they will act through different molecular intermediates and the intermediate traits will be simpler. The intermediate traits might be flagellin bindning, flux through an enzymatic pathway or maybe transcript abundance — this is a similar line of thinking as the motivations for using genetical genomics and eQTL mapping.

The ”Do QTN generally exist?” symposium: my favourite symposium so far. (Note: QTN stands for Quantitative Trait Nucleotide, and it means nothing more than a known causal sequence variant for some quantitative trait. Very few actual QTN featured in the session, so maybe it should’ve been called ”Do QTG generally exist?” Whatever.) I’ve heard both him and Annalise Paaby present their RNA inference experiments revealing cryptic genetic variation in C. elegans before, but Matt Rockman also talked about some conceptual points (”things we all know but sometimes forget” [I’m paraphrasing from memory]): adaptation does not require fixation; standing variation matters; effect-size is not an intrinsic feature of an allele. There was also a very memorable question at the end, asking whether the answer to the questions Rockman posed at the beginning, ”What number of loci contribute to adaptive evolution?” and ”What is the effect-size distribution?” should be ”any number of loci” and ”any distribution” … To which Rockman answered that those were pretty much his views.

In the same symposium, Luisa Pallares, showed some really nice genome wide association result for craniofacial morphology from natural hybrid mice. As someone who works on an experimental cross of animals, I found the idea very exciting, and of course I immediately started dreaming about hybrid genetical genomics.

Dieter Ebert’s plenary: how they with lots of work seem to have found actual live Red Queen dynamics with Daphnia magna and Pasteuria ramosa.

Larry Young and Hanna Kokko: Young and Kokko had two very different invited talks back to back in the sex role symposium, Young about the neurological basis of pair-bonding in the famous monogamous voles, and Kokko about models of evolution of some aspects of sex roles.

Susan Johnston‘s talk: about how heterozygote advantage maintains variation at a horn locus in the Soay sheep of St Kilda. Simply awesome presentation and results. Published yesterday!

On to our stuff! Dominic Wright had a talk presenting our chicken comb work in the QTN session, and on Friday I will have a poster on display about the behaviour side of the project. There’s actually quite a few of us from the AVIAN group here, most of them also presenting posters on Friday (Anna-Carin, Johan, Amir, Magnus, Hanne, Rie). And (though misspelled) my name is on the abstract of Per Jensen‘s talk as well, making this my personal record for conference contribution.

The poster sessions are very crowded and a lot of the posters are hung facing the wall with very little space for walking past, and some of them behind pillars. In all probability there’s a greater than 0.5 chance that my poster will be in a horrible spot. But if you happen to be curious feel free to grab me anywhere you see me, or tweet at me.

I looke like this when posing with statues or when I’m visibly troubled by the sunlight. If you’re into genetical genomics for QTG identification, domestication and that kind of stuff, this is the hairy beast you should talk too.

martin_eseb

Hic sunt dracones: Könsurval och Batemans hypoteser

dracones

Könsurval eller sexuell selektion har jag skrivit en smula om förut. Könsurvalsteori är kort och gott den del av evolutionsbiologi som sysslar med hur olika varelsers köns- och sexualmönster uppstår. Könsurval som fenomen är när en sexuellt reproducerande population förändras över generationerna därför att vissa individer lyckas bättre än andra med att hitta en partner att få ungar med. Det har så klart mycket med varelsernas sociala liv att göra — med hur de interagerar, väljer partners och konkurrerar med varandra. Att det finns skillnader i reproduktiv framgång, partnerval och många sociala interaktioner som rör parning, parbildning och vården av ungar är det inga tvivel om. Exakt hur stor roll könsurvalet spelar för olika organismer är däremot något som de lärde med flera tvistar om.

Låt oss titta lite närmare på en artikel som kom förra året som analyserar en klassiker från 1948: A. J Batemans Intra-sexual selection in Drosophila. Batemans experiment är väldigt inflytelserikt, och — som det redan visat sig, och vilket den här artikeln understryker ännu mer — inte särskilt rättvisande. Som titeln säger: studien går ut på att Bateman anser sig ha dokumenterat könsurval, närmare bestämt bland hanar. Artikeln från 2012 av Gowaty, Kim och Anderson heter istället No evidence of sexual selection in a repetition of Bateman’s classic study of Drosophila melanogaster. Författarna berättar om en upprepning av Batemans försök med samma (vid det här laget relativt uråldriga) metoder. De hittar flera brister som gör att det i stort sett inte går att dra några slutsatser alls från Batemans resultat.

Jaha, vem bryr sig? Ur Batemans experiment och argument från Robert Trivers m. fl. (Trivers 1972) följer det som kallas Batemans principer eller hypoteser. De har jag också redan nämnt, men inte vid namn, i samband med zebrafinkarnas sexliv. Batemans hypoteser/principer handlar om könsskillnad i reproduktiv framgång, och variationen i reproduktiv framgång — alltså förutsättningarna för att hanar eller honor ska påverkas av könsurval. Det är därför det är så viktigt för könsurvalsteori.

Jag tror uppdelningen i tre principer kommer från Arnold (1994):

1) Hanar har större variation i antal avkomma (reproduktiv framgång) än honor.

2) Hanar har större variation i antalet partners de parar sig med än honor. Det är, enligt Bateman, ett tecken på konkurrens mellan hanarna.

3) För hanarna, men inte för honorna, finns det en positiv korrelation mellan antal partners och reproduktiv framgång. Det är den här skillnaden som Bateman ser som orsaken till hanar att drabbas hårdare av könsurval än honor.

Batemans flugor

Slutsatserna kommer ur Batemans försök med bananflugor. Han satte samman grupper av flugor som bar på olika mutationer, och genom att se vilka mutationer avkommorna bar på kunde han se vilka flugor som parat sig med varandra och hur många avkommor varje fluga fick. Och det verkade som att för en hane ökade antalet ungar med antalet honor han parat sig med, medan det för en hona inte spelade någon roll för den reproduktiva framgången hur många hanar hon parade sig med. Det stämmer väl med hypotesen att honors reproduktion är begränsad av den energi hon lägger på att producera ägg, inte av tillgången till en partner. Men det är om vi antar att Batemans mätmetoder fungerar.

Gowaty & co satte ihop grupper av flugor med kombinationer av samma mutanter Bateman använde. (På ett ungefär — några flugstammar fick de inte tag på.) Men Gowaty & co hittade problem med mutationerna. Bland annat prövade de att sätta ihop monogama par — bara två flugor — och kunde se att det fattades avkommor jämfört med det väntade antalet. De två flugorna verkade ha parat sig olika många gånger, vilket såklart är omöjligt, för det var bara de två. Det förefaller som mutationerna som fungerade som föräldraskapsmarkörer är farliga — en del avkomma dör innan de hinner utvecklas. Författarnas slutsats sammanfattas nog mest effektivt i följande stycke i metoddelen:

What We Did Not Do. We did not provide tables of “observed” matings and reproductive success similar to Bateman’s (1) or an analysis of the relationship between NM and RS (NM är antalet parningar och RS reproduktiv framgång, min anmärkning) or of sex differences in VRS (variation i reproduktiv framgång, dito) because we showed that the assumption of no viability effects of Bateman’s methodology was violated, rendering the measurements of NM and RS unreliable.

Så, Batemans experiment kan inte användas för att pröva Batemans hypoteser. Mätfelet på grund av de farliga mutationerna är helt enkelt för stort. Det här är inte den första kritiken mot Batemans ursprungliga arbete. Tvärtom, det är snarare den sista spiken i kistan. Redan Snyder och Gowaty (2007) konstaterade att resultaten är inte var trovärdiga, och mycket väl skulle kunna vara en slumpeffekt.

Men Batemans försök är bara ett försök och mer än sextio år gammalt. Och även om experimentet var fläckfritt går det inte bara att anta att samma resultat ska gälla i alla organismer i alla miljöer. Så någon måste väl ha prövat Batemans hypoteser med andra studier sedan dess? Ja!

Den tredje punkten ovan leder till det som kallas Batemangradienten. Gradient betyder helt enkelt lutning — hur mycket den reproduktiva framfången ökar, i medeltal, per extra partner. Bateman förutspår att gradienten för hanar ska vara positiv, och gradienten för honor nära noll. För promiskuösa arter kanske vi väntar oss att båda könen skulle ha en positiv Batemangradient. Om Batemangradienten är noll får båda könen borde ett livslångt monogamt levnadssätt vara mest gynnsamt för alla inblandade.

Så, låt oss ta en annan modern studie som använder moderna genetiska metoder och tittar på Batemangradienten i en naturligt population.

Gaffelantiloper

Byers & Dunn (2012) mätte Batemangradienten hos en population gaffelantiloper i National Bison Range i USA under tio år. De fann en positiv gradient för hanar men noll för honor — alltså, ett resultat som liknar Batemans studier. Och det här är ett experiment där föräldraskapsbestämningen inte lider av det problem Bateman hade. För de här gaffelantiloperna verkar Batemans hypoteser i alla fall stämma. (Läs en intervju med Stacey Dunn hos Molecular Ecologist.)

Men, författarna drar också en annan intressanta slutsats. Batemangradienten för hanar var positiv alla de tio år de mätte den men den var inte densamma. Det finns en miljövariation från år till år i hur mycket könsurval hanarna går igenom.

Tångsnällor

800px-Syngnathus_typhle_20111103_151208_0650M

(Foto: Gilles San Martin CC-BY-SA-3.0, Wikimedia Commons)

Efter Trivers kan vi ersätta ”hane” och ”hona” med ”det kön som investerar mindre i avkomman” och ”det kön som investerar mer”. I det här sammanhanget är hane och hona per definition en fråga om storleken på könscellerna. Honan gör de stora och hanen gör de små. Det är ändå inte säkert att det alltid är honan som investerar mest energi och resurser — se på sjöhästar och deras släktingar. (Nota bene: Bara deras existens visar ju att könscellernas storlek inte kan vara hela sanningen om könsskillnad.)

Tångsnällan (Syngnathus typhle) är en sådan art, med så kallat omvända könsroller. Det vill säga: honorna konkurrerar med varandra om hanarna och att hanarna är mer selektiva med vem de parar sig med. Hanen har en hudficka på magen där honan lägger ägg som han sedan bär runt på tills de kläcks.

Jones & co mätte Batemangradienten i laboratorieförsök med tångsnällor. De testade först att sätta samman grupper av tångsnällor med få hanar i förhållande till honorna. Båda könen hade en positiv Batemangradient, men att honornas var högre. Sedan prövade de grupper med många hanar, för att minska konkurrensen mellan honorna — och då blev det ingen mätbar skillnad i Batemangradient. Kurvorna ser alltså inte ut riktigt som enligt Batemans hypoteser (hanarnas gradient är inte noll!), men tångsnällorna har en könsskillnad i Batemangradient som överensstämmer med deras könsroller.

Tigersalamandrar

Salamandra_Tigre

(Foto: Carla Isabel Ribeiro, CC-BY-SA-3.0 via Wikimedia Commons)

Det finns fler exempel på arter där Batemangradienterna ser ungefär som de förväntade. Men det finns också flera exempel på arter där de inte gör det! Ta tigersalamandrarna i Williams & DeWoodys studie (2009) till exempel. Lyckligt ovetande om våra förväntningar på dem har de positiva Batemangradienter som inte mätbart skiljer sig mellan könen. I den mån könsurval finns hos salamandrarna är det inte begränsat till hanar utan väsentligen lika i båda könen.

Människor, då?

Och förresten, om experimentet ovan visat att Batemans metoder trots allt fungerade perfekt och visade vad han trodde att de visade, skulle det leda till någon direkt slutsats om mänskliga män och kvinnor? Nej. Så långt är det rätt klart att vi inte bara kan anta att Batemangradienten kommer vara på ett visst sätt, för den verkar variera mellan arter och omständigheter.

Om vi ska tro den här review-artikeln av Brown, Laland & Mulder (2009) så finns det i och för sig inte särskilt många bra undersökningar av förhållandet mellan antalet partners och reproduktiv framgång hos männsiskor. Men de undersökningar som finns visar en positiv korrelation för män och alla tänkbara alternativ — positiv, ingen och negativ korrelation för kvinnor. Jag vet inte riktigt vad det betyder. Kanske något som liknar gaffelantilopernas situation: att det är olika livsbetingelser som påverkar utrymmet för könsurval. Kanske är det sociala effekter i olika typer av samhällen. Kanske är det osäkra mätningar.

Sammanfattningsvis, även om Batemans ursprungliga experiment är stendött så har det ändå givit upphov till bra idéer som är tillämpliga på en del arter. Men Batemans principer som universella förutsägelser om könsskillnad i alla sexuellt reproducerande varelser har inte överlevt kontakt med verkligheten.

Litteratur

Arnold SJ. (1994) Bateman’s principles and the measurement of sexual selection in plants and animals. American Naturalist 144 ss. S126-S149

Bateman AJ. (1948) Intra-sexual seletion in Drosophila. Heredity 2. ss. 349-368

Byers J, Dunn S. (2012) Bateman in Nature: Predation on Offspring Reduces the Potential for Sexual Selection. Science 9 ss. 802-804

Gowaty PA, Kim Y, Anderson W. (2012) No evidence of sexual selection in a repetition of Bateman’s classic study of Drosophila melanogaster. PNAS 109 ss. 11740-11745

Jones AG, Rosenqvist G, Berglund A, Arnold SJ, Avise JC. (2000) The Bateman gradient and the cause of sexual selection in a sex–role–reversed pipefish. Proceedings of the Royal Society B. 7 ss. 677-680

Snyder BF, Gowaty PA. (2007) A reappraisal of Bateman’s classic study of intrasexual selection. Evolution 61 ss. 2457-2468

Trivers RL. (1972) Parental investment and sexual selection. I: Campbell B, red. Sexual Selection and the Descent of  Man, 1871-1971, Aldine-Atherton, Chicago, ss.  136-179. (pdf från Trivers’ hemsida — uppskattas!)

Williams RN, DeWoody JA. (2009) Reproductive Success and Sexual Selection in Wild Eastern Tiger Salamanders (Ambystoma t. tigrinum). Evolutionary biology 36 ss. 201-213

Andra bloggar

Hanna Gustafsson på Genusfolket skrev om det här ganska nyligen. Som antagligen är ganska tydligt så håller jag inte helt med om tolkningen av Gowaty, Kim & Anderson, men jag har heller inget till övers för vulgärevolutionära tolkningar av sexistiskt beteende.

Den förträfflige Jeremy Yoder har skrivit om artikeln och  dess implikationer i flera varv.

Caveat lector: Undertecknad sysslar inte främst med könsurval eller något av de djur som nämns. Den här texten gör inte anspråk på att vara någon uttömmande genomgång av litteraturen om Batemans principer. Jag har filat på den och skrivit om den flera gånger, men förr eller senare får en faktiskt ge sig och trycka på knappen. Jag tar med förtjusning emot kommentarer och rättelser på mina läsningar av könsurvalslitteraturen.

Om zebrafinkars relationer 2: alleler och hårda ord

Finksåpan fortsätter. Igår kom vi så långt som till första stycket av TT-artikeln; varför inte gå vidare till det andra? En övning till läsaren — finn fem fel. Jag kommer strax klaga på alla de kursiverade orden och uttrycken. Gissa gärna varför!

Tendensen att hoppa över skaklarna skulle med andra ord vara genetiskt styrd. Hannar som inte nöjer sig med sin äkta hälft utan gärna jagar efter andra honor, för över sitt beteende till sina döttrar — som när de blivit vuxna ständigt sviker sina partners.

Redo? Vi börjar med den lätta biten. Att tendensen att para sig utanför paret till viss del går i familjen betyder såklart sannolikt att den har en genetisk komponent — men ”genetiskt styrd” är väl ändå att ta i? Den självklara motfrågan till alla påståenden om genetiska grunder för beteende handlar om miljöns effekter. Så kanske det kan vara på sin plats att se hur stor genetisk effekt författarna faktiskt rapporterar.

Som en del av sina statistiska beräkningar uppskattar Forstmeier & co heritabiliteten för de beteenden de har mätt. Heritabilitet mäter hur stor del av variationen i en egenskap som beror på släktskap. Det där är värt att ta en gång till. Om vi mäter hur mycket en egenskap (som till exempel hur mycket en ung zebrafinkhane sjunger när han får träffa en  hona) varierar i en population och vet släktskapet mellan individerna, så kan vi uppskatta hur stor del av variationen som kan förklaras av genetiska faktorer (alltså släktskap) och hur mycket som beror på miljöfaktorer (allt annat).

För att hitta heritabiliteten får vi titta i Supporting Information — liksom DVD-filmer har vetenskapliga artiklar ofta extramaterial, men tyvärr sällan intervjuer med författarna. Där kan vi se att de gjort om sina beräkningar flera gånger på olika sätt, för att försäkra sig att resultaten inte hänger på någon detalj i metodvalet. Men oavsett vilket, och för vilket beteendemått det än gäller, så uppskattar de heritabiliteten till högst 0.2. Så, i den här populationen förklarar genetiken på sin höjd en femtedel av variationen i parningsbeteende. Det är en respektabel siffra, men den understryker ändå att ärftlighet alls inte är den allt överskuggande faktorn — inte ens i en population i fångenskap under relativt kontrollerade förhållanden. Det spelar ingen roll, för arbetet ifråga handlar inte om att förklara promiskuitet i allmänhet! (Det ser ut som ett självklart påstående, men om vi hinner komma till slutet av TT-artikeln kommer vi se att så inte är fallet.)

Nästa punkt: hanarna som ”för över sitt beteende till sina döttrar”. Är inte det ett ganska konstigt sätt att uttrycka att någonting är ärftligt? När någon gör en stor affär av att påpeka att något går i arv just från den ena föräldern brukar det vara fråga om något annat än vanlig gammaldags genetik — till exempel en föräldraeffekt eller någon sorts påverkan under uppväxten. Men så är det inte i det här fallet — författarna tittade inte specifikt efter faderseffekter, och de flyttade ägg mellan bon för att kontrollera effekten av att bli omhändertagen av ett visst föräldrapar. Vad de intresserade sig för var genetiskt arv — och det går naturligtvis inte bara från far till dotter utan också från mor till dotter eller son.

Nu till det viktigaste: ”äkta hälft”, ”inte nöjer sig”, ”ständigt sviker” — och allt tjat om ”otrohet”. Det här är också något som borde få det att krylla längs läsarens ryggrad (tyvärr inte bara över populärvetenskapliga utan rätt ofta också fackvetenskapliga texter). TT-artikeln svänger sig med förtjusning med värdeladdade ord som helt enkelt är osakliga och inte hör hemma i en text om djurs beteende. Sluta baktala de stackars zebrafinkarna!

Kan zebrafinkar vara otrogna? Uppfattar de parbildning som något som liknar ett äktenskap? Känner de sig svikna? Egentligen är det också en vetenskaplig fråga — alltså, ifall det zebrafinkar gör och känner i samband med parningar utanför paret är tillräckligt likt mänsklig otrohet för att kunna anses analogt. Men det är nog ingen som vet tillräckligt om zebrafinkars medvetande och känsloliv för att kunna svara. Och det spelar ingen roll, för arbetet ifråga handlar inte om otrohet, allra minst mänsklig sådan. Människan är inte skapelsens krona, och ibland får vi faktiskt acceptera att fåglars sociala liv är mycket mer intressant.

Till slut är det i alla fall Svenska dagbladets rubrik som är sämst: Otrohet kan finnas i generna.

För även om vi accepterar förbehållen ovan och känner oss redo för att påstå att en genetisk variant kanske påverkar tendenser till vad vi vill kalla otrohet, så är det ändå inte frågan om någon otrohetsgen — på sin höjd en otrohetsallel. Vi pratar hela tiden om skillnader mellan individer med olika varianter av en viss gen. Det blir alltså några alleler som är kopplade till högre risk för otrohet och några som är kopplade till lägre risk. Genen ifråga har förmodligen någonting med parbildning att göra eller kanske med sexdrift, vem vet.

Vi tjatar en del om det här, inte sant? Men det är viktigt — för när vi håller det här med alleler och variation i minnet framstår prat om att något ”finns i generna” som rätt svagsint. Visst, DNA-sekvenserna för de proteiner som krävs för att bygga upp ett nervsystem som gör att organismen kan bilda starka band till en partner eller utföra promiskuösa beteenden finns i generna. Och om något ändras i de generna skulle det kunna få individen ifråga att bilda starkare eller svagare parbildningar eller vara mer eller mindre promiskuös. Det behöver inte vara mer magiskt eller mer upprörande än så.

Om zebrafinkars relationer 1: referensen de glömde

Inte hänt så mycket här på ett tag, eller hur? Så låt oss sätta igång genast. Igår publicerade DN med flera en TT-artikel om en vetenskaplig artikel — och genast börjar någon sorts förväxlingskomedi som retar mig så till den milda grad att det borde skrivas något om den. Vi börjar med steg ett: att hitta den faktiska artikeln. Den är nämligen inte bara publicerad i en ganska häftig tidskrift, den är också öppet tillgänglig även för alla som inte betalar för tidskriften (ett alternativ som författarna förmodligen betalat dyrt för, så varför inte dra nytta av det).

Wolfgang Forstmeier, Katrin Martin, Elisabeth Bolund, Holger Schielzeth, Bart Kempenaers. (2011) Female extrapair mating behavior can evolve via indirect selection on males. PNAS  doi: 10.1073/pnas.1103195108

Det handlar alltså, som rubriken antyder, om zebrafinkar, parbildning och parning utanför parbildningen. Blixtsammanfattning: zebrafinkar är socialt monogama och lever tillsammans hela livet, men de parar sig också ibland med andra individer än sin partner. Det finns viss variation i tendensen att para sig med andra — och variation är, som bekant, genetikens livsluft! — och en del av variationen går att föra tillbaka på genetik. Promiskuitet går alltså i släkten. Vidare verkar det vara i stort sett samma genetiska varianter som får en zebrafink att para sig mer eller mindre utanför paret, oavsett om hen är hane eller hona.

Samma genetik i båda könen — det låter kanske inte så förvånande. Varför är det viktigt? Då måste vi prata lite om könsurvalsteori. Det finns nämligen en intressant dikotomi hos sexuellt reproducerande varelser: det brukar alltid finnas två typer av könsceller — de stora, som kallas ägg, och de små, som kallas spermier. (Det gäller många, men inte riktigt alla — bland annat en del alger har två typer av lika stora könsceller, och så har bakterier och virus sina egna motsvarigheter till sexuell reproduktion. Det är hur coolt som helst, men det är inte ämnet för dagen.) Ändå finns det en imponerande variation i vilka typer av kroppar det är som producerar de där könscellerna. Könsurval (sexual selection — på svenska också sexuell selektion, men jag tycker det klingar lite fånigt) handlar om att med evolutionsbiologins hjälp förklara hur olika köns- och sexualmönster uppstår.

Det är nästan aldrig lätt att säkert veta om någon egenskap (särskilt om det är fråga om ett beteende) finns där för att det varit gynnsamt för djurets förmåga att fortplanta sig, alltså främjats av naturligt urval. Det är förresten vad som brukar kallas en anpassning eller en adaptation — någonting som sprider sig eller har spridit sig via evolution genom naturligt urval. Alternativet är såklart att det blivit så utan att det är något speciellt med egenskapen ifråga — det skulle kunna vara en sidoeffekt av någon annan adaptation, eller så har det bara råkat bli så av någon historisk slump.

Så, låt oss fortsätta dagens övning med att titta på de två sammanfattningarna — först PNAS-artikeln och sedan TT-artikeln.

In many species that form socially monogamous pair bonds, a considerable proportion of the offspring is sired by extrapair males. This observation has remained a puzzle for evolutionary biologists: although mating outside the pair bond can obviously increase the offspring production of males, the benefits of such behavior to females are less clear, yet females are known to actively solicit extrapair copulations. For more than two decades adaptionist explanations have dominated the discussions, yet remain controversial, and genetic constraint arguments have been dismissed without much consideration. An intriguing but still untested hypothesis states that extrapair mating behavior by females may be affected by the same genetic variants (alleles) as extrapair mating behavior by males, such that the female behavior could evolve through indirect selection on the male behavior. Here we show that in the socially monogamous zebra finch, individual differences in extrapair mating behavior have a hereditary component. Intriguingly, this genetic basis is shared between the sexes, as shown by a strong genetic correlation between male and female measurements of extrapair mating behavior. Hence, positive selection on males to sire extrapair young will lead to increased extrapair mating by females as a correlated evolutionary response. This behavior leads to a fundamentally different view of female extrapair mating: it may exist even if females obtain no net benefit from it, simply because the corresponding alleles were positively selected in the male ancestors. (Wolfgang Forstmeier m.fl.)

Okej. Det var lite väl kompakt. Vi tar det i punktform:

  1. Flera arter av parbildande fåglar får rätt många ungar med andra än sin partner.
  2. Evolutionsbiologer är lite fundersamma över varför, särskilt från honornas perspektiv. Tanken är nämligen att honans fortplantning förmodligen begränsas av mängden ägg hon kan producera  — det är att lägga ägg som är den svåra biten, inte att hitta en partner, så när hon redan har en, vad ska hon med fler hanar till?
  3. Det finns ett gäng olika hypoteser om vad som är fördelen med att vara lite promiskuös — alltså olika hypoteser om parning utanför paret som en adaptation.
  4. En annan hypotes är att honors parning utanför paret inte är en adaptation i sig, utan en bieffekt av promiskuitet på hansidan. Honornas fortplantningsförmåga skulle kunna direkt motverkas av en genetisk variant som gör dem lite mer promiskuösa — så länge den också gör hanar lite mer promiskuösa, så att deras bröder får fler ungar.
  5. I så fall måste det finnas en genetisk korrelation mellan hanars och honors tendens att para sig utanför paret.
  6. De studerade parningsbeteenden hos population zebrafinkar och hittade just ett sådant samband.
  7. Det är alltså möjligt att zebrafinkhonors parning utanför paret är en genetisk bieffekt av selektion på hanar.

Låt mig kort ge en åsikt om artikeln (även om åsikter är överskattade): Frågan om adaptation eller inte  är såklart intressant i sig… Men för att den icke-adaptiva hypotesen ska stå sig krävs faktiskt att genetiken fungerar på ett visst sätt. Och författarna har gjort ett stort och, vad jag kan se, solitt arbete för att pröva den genetiska delen av hypotesen. Utmärkt! På så sätt är det artikelns styrka att den inte tittar efter det adaptiva, neutrala eller möjligen maladaptiva med promiskuitet utan handlar om vad som är genetiskt möjligt.

Hos många djurarter bedrar honorna sina äkta makar. Frågan är varför. Vad vinner de på beteendet? Svaret kan vara att de kanske inte vinner någonting. Enligt en ny studie har de ärvt otroheten av sina otrogna pappor. (Roland Johansson, TT)

Den här ingressen illustrerar perfekt vad som är så frustrerande med texter om evolutionsbiologi. För när den läses med försiktiga ögon så är det ett i sak hyfsat korrekt referat. Huvudslutsatsen är till och med där. Men samtidigt är allt så osmidigt uttryckt att det öppnar för alla möjliga missförstånd. ”Vad vinner de på beteendet?” kanske är en okej omskrivning för ”Är det här beteendet en adaptation?” Och alla förstår att när fåglarna ”bedrar… sina äkta makar” menas att de parar sig med andra hanar, inte att de hänger på den dejtingsajt för otrohet som Googlereklamen förmodligen kopplar till den här bloggposten. Men det är ändå ett exempel på vetenskapstext när den trasslar in sig i sig själv — full av metaforer som leder läsaren rakt åt skogen snarare än åt rätt håll. (Tyvärr är jag inte övertygad om att den här serien blir någon bättre guide, men vi kan ju åtminstone göra ett försök.)

Imorgon tänkte jag att vi kunde prata lite mer om laddat språkbruk — efterhand kanske vi till och med kommer fram till vad Forstmeier & co faktiskt gjort.

Något om genetiskt skräp och evolution

Hört talas om skräp-DNA någon gång? Uttrycket kommer sig av att lejonparten av genomet inte verkar koda för något — varken proteiner eller RNA-molekyler. Det myntades någon gång på sjuttiotalet, men är rätt ute numera. Artiklar om icke-kodande DNA tenderar ha någon mening i inledningen om hur okunniga de var på sjuttiotalet. Det är klart, det klingar kanske lite arrogant att avfärda större delen av genomet som skräp. Men det ligger ändå fortfarande något i det, även om det dyker upp fler icke-kodande sekvenser med kända funktioner.

För det är skillnad på funktion och funktion, och många av de här sekvenserna gör saker som inte är ett dugg konstruktiva för organismen. Vi har mött dem tidigare: transposonerna och (som det heter i Karolinskas hemska översättning) de andra omflyttningsbara DNA-segmenten. De fungerar som en sort parasiter: det enda de kan är att kopiera sig själva och flyttar sig omkring i genomet. Det gör att de kan bli fler och fler på organismens bekostnad. Det vill säga, en del längre varianter, som verkar stamma från retrovirus, har den förmågan — och kodar för omvänt transkriptas. Det finns också kortare varianter som förmodligen uppstått genom att olika oskyldiga RNA-molekyler skrivits om till DNA med hjälp av omvänt transkriptas från en längre retrotransposon.

Vi behöver inte vara medicinska genetiker för att räkna ut att diverse osorterade DNA-sekvenser som sättes in här och där i genomet kan ställa till problem — till exempel genom att störa regleringen av någon viktig gen. Å andra sidan öppnar samma process för nya intressanta mutationer. Organismen gör å sin sida sitt bästa för att hålla de omflyttningsbara elementen i schack. Epigenetisk reglering är, som sagt, en möjlighet.

Det vanligaste parasitiska elementet hos oss människor heter Alu. Det är en av de kortare varianterna, stammar från ett RNA, saknar förmågan att kopiera sig själv, men innehåller en del andra intressanta sekvenser. Den har ett ställe där retinolsyrareceptorn kan binda — vilket gör att en Alu-insättning skulle kunna koppla en gen till vitamin A. Men i det här sammanhanget gäller det en koppling till en annan process: RNA-splitsling (splicing).

Hos oss eukaryoter ligger de kodande delarna av generna utspridda lite här och där. De kodande bitarna kallas exoner, och de icke-kodande bitarna emellan introner. När en gen ska uttryckas skrivs den först om till ett långt RNA med både introner och exoner. Sedan klipps intronerna bort och exonerna sätts ihop till det ett fullständigt mRNA. Det är alltså splitsningen, och den styrs av signalsekvenser.

Men, mycket riktigt, Alu innehåller sekvenser som liknar splitsningssignalerna! Det betyder att Alu-bitar, men några små förändringar, kan leta sig in i mRNA. Vi återkommer till vad de skulle kunna göra där. Först: artikeln — Widespread establishment and regulatory impact of Alu exons in human genes (det är en open access-artikel, så det är bara att hugga in) av Shihao Shen m. fl., som kom ut i Proceedings of the National Academy of Sciences of the USA i februari.

Det är ett till att börja med ett sekvenseringsbaserat arbete, men det är inte DNA-sekvensering utan RNA-sekvensering som gäller. Det betyder alltså att använda massivt parallell sekvensering på cDNA istället för genom-DNA. Det är dels ett sätt att mäta genuttryck — genom att bara räkna hur många gånger en viss mRNA-sekvens dyker upp. Men det är också att sätt att titta på RNA-molekylernas sammansättning, alltså ett utmärkt sätt att se ifall Alu-sekvenser förekommer i mRNA eller inte.

Med en genomdatabas hjälp ställde de sig frågan: Om kända Alu-sekvenser splitsades in, hur skulle skarven mellan Alu och resten av mRNA:t se ut — och sedan letade de efter de skarvarna i ett par publicerade samlingar RNA-sekvenseringsdata från människa.

De tittade efter total 627 Alu-exoner, varav 287 förekom i proverna mRNA. Det är alltså 627 Alu-sekvenser i gener som någon har sett förut, men bara 287 som användes i den här vävnaden — lillhjärnan, cerebellum. Det illustrerar att även för en så väl beskriven organism som människan, där det finns en bra referenssekvens och massor av information om vilka sekvenser som uttrycks, har den samlade biologiska vetenskapen ganska dålig koll på vad som försiggår.

(Förresten, om vi skulle välja en annan teknik som vi behandlat tidigare till att kontrollera resultaten av sökningen i RNA-sekvenser? Rätt gissat, RT-PCR, vilket är precis vad Shen & co också gjorde.)

Nåväl. Det sitter alltså Alu-sekvenser i ett gäng mänskliga gener. Vad är det med det? Jo, en ny bit mRNA, särskilt i början av genen, kan ändra hur mycket protein som produceras från RNA. Att mäta mRNA är en sak, men att få reda på hur mycket protein som produceras är lite knivigare. Det Shen & co gjorde var en teknik med cellodling och reportergener. En reportergen är en gen som är lätt att detektera — det brukar vara ett protein som fluorescererar eller på något annat sätt ger lysande eller färgade celler.

Reportergenen kopplas ihop med den reglerande sekvensen som ska testas. Mängden protein från reportergenen kan mätas som ljus från cellerna och det återspeglar den reglerande sekvensens effektivitet. Nåväl, det fina med det här är att det går att testa olika varianter av sekvensen, genom att införa olika ändringar. Av 15 gener som de prövade var det 10 där Alu-sekvensen verkade göra någon skillnad. En Alu-sekvens i början av mRNA kan alltså göra skillnad. Lite experimenterande med extra stoppkodoner tyder dessutom på att de gör det genom att skapa extra läsramar som börjar i Alu-exonen och tävlar med den kodande genens läsram.

De la också märke till att påfallande många av generna med Alu-exoner tillhörde ZNF-familjen, en serie transkriptionsfaktorer, gener som i sin tur reglerar uttrycket av andra gener. Den här familjen innehåller ett gäng gener som är specifika för primater och som har uttryck som skiljer sig mellan schimpanser och människor. Det är inte direkt några vattentäta bevis, men åtminstone en suggestiv antydan att de där små bitarna av eländigt skräp skulle ha en del i skillanden mellan oss och andra stora apor.

Hur som helst, det här är ett exempel på vad återanvänt genetiskt material kan åstadkomma. Det händer betydligt större — och konstigare saker — under evolutionens gång än enstaka ändrade baser.

Litteratur

Shen S, Lin L, Cal JJ, Jiang P, Kenkel EJ, Stroik MR, Sato S, Davidson BL, Xing Y. (2011) Widespread establishment and regulatory impact of Alu exons in human genes. PNAS 108 ss. 2837-2842