Mer om myrorna med socialkromosomen

Vet inte riktigt om det framgår av bloggen, men själv använder jag genuttrycksmetoder för att studera diverse egenskaper hos höns. Så den korta biten om genuttryck i artikeln om myrorna intresserade mig lite extra. Och för några år sedan publicerade några av samma gäng en artikel om genuttryck hos samma myror. Och till skillnad från Nature-artikeln är den här i PLOS Genetics, vilket betyder att den är fri att läsa och kopiera för alla: Genome-Wide Expression Patterns and the Genetic Architecture of a Fundamental Social Trait.

De jämförde mRNA mellan BB– och Bb-arbetsmyror från 20 kolonier med fler än en drottning. Resultatet var inte direkt överväldigande: de fann 39 gener vars uttryck skilde sig åt, bland dem gener som liksom Gp-9 kodar för luktreceptorer. Men när de väl hittat den stora inversionen som gör området till Gp-9 till en supergen faller de här resultaten i ett lite annat ljus: det visar sig nämligen att 70% av de gener som skiljer sig i uttryck ligger just i området med inversionen vilket är betydlig fler än de ungefär 5% av alla gener de mätte som ligger där. (Med liknande resultat för jämförelser mellan drottningar och hanmyror i den nya artikeln.)

Det här är ett enrichment test (kanske anrikningstest på svenska) vilket är väldigt vanligt i genuttrycksbranschen. Det jämför helt enkelt hur många gener av en viss kategori som dyker upp med hur många en skulle vänta sig av ren slump. Ofta är det inget vidare test, men det här tror jag är en situation där det passar rätt bra. Det finns ingen särskild anledning att tro att gener som skiljer sig mellan myror med olika variant av Gp-9 skulle ligga på något särskilt ställe i genomet, om det inte vore för den här typen av stora omflyttningar runt genen själv. Det är förmodligen ett exempel på att när inversionen väl har hänt och det inte kan bli några överkorsningar i området så kommer alla möjliga varianter att ärvas tillsammans med Gp-9-allelen, just för att de inte kan rekombineras bort från varandra.

Litteratur

Wang J, Ross KG, Keller L. (2008) Genome-Wide Expression Patterns and the Genetic Architecture of a Fundamental Social Trait. PLOS Genetics 4 e1000127. doi:10.1371/journal.pgen.1000127

En supergen och en socialkromosom

Om en lite udda kromosom med en gen som styr könsbestämning kan heta könskromosom så borde en lite udda kromosom med en gen som styr socialt beteende kunna heta socialkromosom. Det är nämligen så att vissa myror har en sådan. Det är dagens artikel: John Wang m. fl. A Y-like social chromosome causes alternative colony organization in fire ants. Solenopsis invicta (red imported fire ant) är en art myror som finns kommer från Sydamerika men finns lite varstans i Nordamerika, Asien och Oceanien. De lever i kolonier med drottning och sterila arbetare men de finns i två varianter: kolonier som bara har en drottning och kolonier som kan ha flera. Det förstnämnda kallas ett monogynt samhälle och det senare ett polygynt. Är det inte lustigt hur ord som ”polygyn” eller ”promiskuös” betyder helt olika saker beroende på vilken djurart det handlar om? Turligt nog för myrorna är det inte så lätt att dra några direkta paralleller mellan deras sociala system och mänskliga samhällen. De slipper förhoppningsvis de skvallertidningsrubriker som bland annat zebrafinkar och sorkar drabbas av.

Hur som helst varierar det sociala systemet inom arten och det verkar styras av ett mendelianskt anlag som kartlagts till genen Gp-9 som kodar för en luktreceptor. Kanske ändras något i den kemiska kommunikationen mellan drottning och arbetsmyror. Den har två varianter: låt oss följa författarna och kalla dem B och b. Arbetsmyror är diploida som vi: alla kromosomer i två kopior. Hanarna är haploida: bara en kopia. Samhällen av bara BB-myror har en drottning, medan samhällen där det också finns Bb-myror kan ha flera. Myror med genotypen bb verkar inte överleva, hanar som bara har b klarar sig. Förutom det sociala är det andra skillnader mellan myror med olika Gp-9-varianter: storlek, lukt, hur många ägg drottningar lägger och hur många spermier hanar producerar. Tidigare genetiska undersökningar av området kring Gp-9 tyder på att det finns ett block där det inte blir någon överkorsning; det är det som är rubrikens supergen. Det finns några exempel på supergener (”super” i det här fallet betyder bara att det är större enheter än en gen som tillsammans orsakar en bunt korrelerade egenskaper) i blommor och fjärilar.

Så författarna vill veta om Gp-9 verkligen ligger i en supergen. Hur tar en reda på det? Genom att leta efter rekombinationer, naturligtvis! Här kommer en gammal bild från Thomas Hunt Morgan igen. Här är ett kromosompar under meios, även känt som reduktionsdelning, även känt som när ägg eller spermier bildas:

Morgan_crossover_1

Det här är alltså vad som händer lite då och då när celler delar sig för att bilda könsceller: kromosomerna i ett par som vanligtvis ärvs som enheter bryts upp, korsas och sätts ihop igen. Resultatet blir två rekombintanta kromosomer. Om det finns en massa genetiska varianter som skiljer kromosomerna åt (och det finns det; alla realistiska genom är fulla med variation) så bär de rekombinanta kromosomerna på nya kombinationer av variationer som inte fanns förut. Så hur kan en se rekombinationer? Jämföra genetiska markörer mellan föräldrar och avkomma! Författarna sekvenserade dna från familjer av drottningar och deras söner. De använde en sorts massivt parallell sekvensering som läser av DNA-sekvensen på väldigt många korta bitar från godtyckliga ställen i genomet och hittade några tusen genetiska markörer. Markörer som ligger på samma kromosom tenderar att ärvas tillsammans, så de kunde se 16 grupper av markörer som motsvarar S. invictas 16 kromosomer. Och på en av kromosomerna ett område helt utan rekombinationer som de uppskattade till 12.7 miljoner baser långt. Där är supergenen.

Områden utan rekombination kan bero på att den ena kromosomen (det skulle i det här fallet vara b-varianten) drabbats av någon storskalig mutation som gör att den inte passar med den andra (B) längre och därför inte kan korsas med den. Så hur kan en se storskaliga omflyttningar på en kromosom? Måla kromosomen och titta på den i mikroskop! De tillverkade alltså fluorescensmärkta dna-bitar med olika färg som täckte supergenen och tittade på kromosomer från myror med B- och b-varianterna i fluorescensmikroskop. Och mycket riktigt: på b-kromosomer kommer sekvensen i omvänd ordning. Det är alltså en bit dna som sitter vänt åt motsatt håll: en stor inversion, minst 9.3 miljoner baser. Det är en mutation som kan hända då och då vid överkorsning och förhindrar i fortsättningen överkorsning mellan kromosomer med och utan inversionen.

Så det är frågan om en stor mutation som tar upp ungefär halva kromosomen och muterar och ärvs som en enhet. Paradoxalt blir det samtidigt extra intressant att veta vad olika varianter inom supergenen gör och extra svårt att få veta, just för att den muterade delen av b-kromosomer alltid ärvs tillsammans som ett block.

Litteratur

Wang J, Wurm Y, Nipitwattanaphon M, Riba-Grognuz O, Huang Y-C, Shoemaker D, Keller L. (2013) A Y-like social chromosome causes alternative colony organization in fire ants. Nature 493 ss. 664-668 doi:10.1038/nature11832

Mer om de blå äggskalen: haplotyper och galla

Det var en sak jag skyndade över lite snabbt häromdagen i min post om höns som lägger blå ägg. Det är ju inte bara fråga om en variant som orsakar blå ägg, utan två populationer med två olika varianter med samma typ av virussekvens som båda stör samma gen. Det tycker i alla fall jag är rätt coolt.

Retrovirus förökar sig genom att sätta in kopior av sitt genom i värdcellens kromosomer. Endogena retrovirus (erv) är rester av retrovirus som någon gång råkat infektera könsceller och på så sätt blivit en ärftlig del av genomet och sådana virusrester är en stor del av alla stora genom. (Även om hönans genom inte är lika repetitivt som många andra djurs är det ändå fullt med kopior av diverse virusbitar.) EAV-HP är ett erv hos höns, som liknar avian leukosis virus, ett hönsretrovirus som orsakar tumörer. Erv är ofta ganska söndermuterade och EAV-HP saknar mycket riktigt både en av tre typiska retrovirusgener och delar av de andra generna. Tydligen har det lyckats kopieras ändå, antagligen med hjälp av andra virus som är aktiva men som inte är så nogräknade med vad de skriver av.

Wang & co tittade på tre sorters höns med blå ägg: två från Kina och en sort från Chile. Alla tre hade en kopia av ett endogent retrovirus av typ EAV-HP som satt sig strax framför genen … Men inte på riktigt samma ställe! Titta på en del av figur 3C. Det skiljer ett tjugotal baser mellan insättningsställena:

wang_fig3c

(Wang et al 2012, figur 3c. CC:BY)

Kan det verkligen ha hänt två gånger? För att ta reda på det tittade författarna på andra varianter i området kring insättningsstället. Diploida organismer, som vi och hönsen, bär ju runt på två kopior av varje kromosom. En haplotyp är enkelt en bit av en kromosom där det finns flera varianter vars alleler ärvs tillsammans. Det finns nästan inga dna-tester som ger direkt information om haplotyperna, utan genotypen är en kombination av de två haplotyperna. Men det går att göra en kvalificerad gissning vilka haplotyper som finns i en population med hjälp av frekvenserna av olika genotyper och korrelationerna emellan dem. Och det har författarna gjort i ett antal hönspopulationer.

I extramaterialet (Tabell S3) finns resultatet av en haplotypanalys. Av någon anledning verkar Araucana och Lushi, som är den Chilenska och en av de kinesiska blåvärpande hönssorterna saknas i tabellen. Men det går att se direkt från allelfrekvenserna i tabell 1 att varianterna omkring insättningen bör se rätt olika ut:

wang_table1

(Wang et al 2012, utsnitt ur tabell 1. CC:BY)

Det verkar som att de två mutationerna sitter på olika haplotyper — det verkar alltså som att de uppstått oberoende av varandra. Det får mig att undra lite — är det något med just den här regionen som får endogena retrovirus att lättare integrera där (slumpvis insättning behöver ju inte betyda likafördelad sannolikhet över hela genomet), och finns det möjligen några miljöförhållanden som de här kinesiska och chilenska hönsen varit med om som innebär naturligt urval för blå äggskal? Författarna nämner några olika möjliga funktioner med äggskalets färg, men jag vet inte hur viktiga de är.

Vad gör den här genen då? Proteinet som SLCO1B3 kodar för är ett transportprotein som är känt för att uttryckas i leverceller och bland är känt för att transportera bilirubin. Bilirubin finns i gallan, bildas av nedbrutet hemoglobin och ger bland annat urin och gamla blåmärken sin gula färg. Ett annat ämne från nedbrutet hemoglobin, biliverdin, ger äggskalen en blå ton, så det är inte så långsökt att virusstyrt överuttryckt SLCO1B3 i hönsens äggledare orsakar blå äggskal.

Litteratur

Wang Z, Qu L, Yao J, Yang X, Li G, et al. (2013) An EAV-HP Insertion in 5′ Flanking Region of SLCO1B3 Causes Blue Eggshell in the Chicken. PLoS Genet 9. doi:10.1371/journal.pgen.1003183

Hönsgenetik: Blå äggskal och gamla virusbitar

Hönsgenetik! Hurra! Den här bloggen tjänar ju som min privata journal club, och idag tänkte jag titta närmare på en artikel som kom häromdagen om genetiken bakom blå äggskal: Wang m fl. An EAV-HP Insertion in 5′ Flanking Region of SLCO1B3 Causes Blue Eggshell in the Chicken. De har isolerat två genetiska varianter som orsakar blå äggskal, genom att påverka samma gen, i höns från olika delar av världen. I båda populationerna är det en rest av ett retrovirus som satts in i närheten av genen SLCO1B3, som kodar för ett protein som transporterar organiska joner i celler. Varianten ändrar på uttrycket av genen så att den uttrycks på ställen den inte gör i höns med vita ägg.

De flesta höns lägger ägg med vita eller bruna skal, men det finns några sorter som lägger blå ägg, bland annat i Kina och Chile. Det gäller nu inte klarblå ägg, snarare vita lite blåtonade. Blå äggskal är en klassisk mendeliansk egenskap: den har enkelt arv med ett dominant anlag för den blå färgen. Mendelianska egenskaper är betydligt mer lätthanterliga än kvantitativa egenskaper med många bakomliggande genetiska varianter, men det kan bli rörigt nog ändå. Skoj att se den molekylära grunden för ett till hönsgenetiskt fenomen.

Till experimentet! Artikeln börjar med en serie referenser till tidigare kartläggningar som lokaliserat varianten till ett område på kromosom 1. Författarna gjorde en finare kartläggning av ett 3.3 miljoner baser långt område i en korsning av Dongxiang-höns. Det är en kinesisk hönssort som har individer som lägger blå ägg och en del som lägger bruna, och de korsade tuppar homozygota för den blå allelen med hönor som lägger bruna ägg. Resultatet av kartläggningen blev en mindre region på 120 000 baser. Den innehöll fyra gener — alltså fyra kandidater att undersöka vidare.

Så, ett relativt enkelt om än inte idiotsäkert sätt att leta efter underliggande genen är att mäta genuttryck, alltså hur mycket de fyra generna skrivs om till rna. Författarna gjorde flera olika uttrycksmätningar — först av alla fyra, vilket ledde dem att titta närmare på SLCO1B3. Det här är figur 1 från artikeln och den visar dem alla samt en bild av de blå äggen. Genuttryck skiljer sig mellan vävnader, så var ska en börja leta? De letade i prover från höns’ äggledare för det är där äggskalen bildas.

journal.pgen.1003183.g001

(Figur 1 från Wang et al (2012), PLOS Genetics, Creative commons: BY)

De använde först omvänd transkription och PCR med agarosgel (det är B) i figuren: BS är Dongxiang-höns med blå skal, Dongxiang-NBS är höns utan och ett vitt band betyder att det finns PCR-produkt, alltså mätbart genuttryck. Som synes i bilden är det bara en gen där höns med blått äggskal uttrycker genen och de utan saknar den: SCLO3B1. RT-PCR, som den här tekniken heter, är inte alls dumt men dåligt på att kvantifiera mängder ordentligt. Därför gick de vidare med realtids-PCR (C i figuren). Där verkar det som SLC3B1 uttrycks i flera olika höns med blå skal, men inte i ett antal med vita skal.

Om du är pyrosekvenseringsnörd vill jag gärna prata med dig om D- och E-delen av figuren. (Det blir lite extra rörigt eftersom den snp de mäter är G/T och följs av en rad T.) F visar fluorescensmärkt in situ-hybridisering — det betyder att märkta rna-strängar som matchar genen ifråga sätts till tunna vävnadsprover för att se om de fastnar, så det börjar fluorescera där genen uttrycks. Och här fluorescerar det mer i prover från höns som lägger blå ägg. Fluorescensbilden är snygg, men den nämns mest i förbigående och jag är inte säker på vad som är skillnaden mellan de grönaktiga och blåaktiga bilderna. Åter igen, om det är någon in situ-hybridiseringsnörd som läser får du gärna höra av dig!

När författarna hade en gen gav de sig på att sekvensera den och dess omgivning i jakt på den orsakande genetiska varianten. Sedan jämförde de olika hönsraser med och utan blå ägg för att se vilka varianter som associerar med blå äggskal — och alltså kan vara den orsakande varianten. De hittade ett antal enkla genetiska varianter (snp:ar) i området, men ingen av dem passade. Däremot hittade de ett cirka 4200 baser långt endogent retrovirus, det vill säga en gammal genetisk rest av ett virus som satt in sig strax före genen och antagligen stör någon reglerande sekvens. Virussekvensens spridning i hönspopulationer var helt associerad med blått äggskal. Alltså ser det här ut att vara ännu ett exempel på hur genetiskt skräp kan orsaka nya egenskaper.

Litteratur

Wang Z, Qu L, Yao J, Yang X, Li G, et al. (2013) An EAV-HP Insertion in 5′ Flanking Region of SLCO1B3 Causes Blue Eggshell in the Chicken. PLoS Genet 9. doi:10.1371/journal.pgen.1003183

Första artikeln: Hönsens kammar, ben och gener

Hurra! Vår artikel A Sexual Ornament in Chickens Is Affected by Pleiotropic Alleles at HAO1 and BMP2, Selected during Domestication kom ut för några veckor sedan i PLoS Genetics. ”Vi” i det här fallet är ett ganska stort gäng i Linköping och Uppsala. Jag befinner mig i Linköping i AVIAN-gruppen, jobbar med Dominic Wright och det här är den första artikeln som jag är förstaförfattare på; jag är väldigt glad för den och entusiastisk över nästa sak vi håller på med.

Det handlar om genetisk kartläggning av kamstorlek i korsningar mellan tama och vilda höns — röda djungelhöns och vit leghorn. Syftet med korsningen är att studera hönsens domesticeringsgenetik, alltså vilka genetiska skillnader som gör att tama och vilda höns skiljer sig. Kamstorlek är särskilt intressant för att kammen är ett sexuellt ornament hos höns. (Det har vi inte själva tittat på i det här arbetet, men det finns annan forskning som funnit att både tuppar och hönor hellre parar sig med en partner som har stor kam.)

Hur sådana ornament fungerar och varför de förekommer finns det lite olika hypoteser om. Här finner vi en länk mellan kammen och ben — kamstorleken korrelerar positivt med mängden medullärt ben, som i sin tur är känt som kalciumreserv för höns som producerar äggskal. Det verkar alltså som att en stor kam signalerar en kalciummetabolism som är lämplig för hög äggproduktion.


(Figur 3 ur artikeln. Licensierad under Creative Commons Attribution-licens.)

Dessutom isolerar vi två närliggande gener, BMP2 och HAO1 på hönans kromosom 3, som har en (eller flera närliggande) genetiska varianter som påverkar kam och ben. Vi kan ringa in området där den underliggande varianten — vilken den nu är — bör finnas till en region emellan generna. Där finns det också en sekvens med som visar tecken på att vara selekterad under domesticeringen. Vi har (ännu) inte kunnat hitta den exakta genetiska varianten som ligger bakom.

Själva artikeln är öppet tillgänglig och kan läsas på PLoS Genetics hemsida.

Dessutom har den fått en hel del uppmärksamhet (vetenskapskommunikation är, som den minnesgoda läsaren om inte annat märkt på mitt en smula tjatiga klagande, inte det lättaste — men även om nedanstående artiklar ibland har lite annan inriktning än jag väntat mig, tycker jag de är rätt bra):

Vetenskapsradion — som vanligt med referens till originalartikeln.

TT — DN, m fl.

Corren — se min handledare med en kyckling på huvudet.

Daily Mail

National Geographic — Tales of the Weird

ps. Vet inte om jag ska skämmas eller vara stolt över att min karriär börjar med ett ”storleken har betydelse”-pressmeddelande. Härnäst: ”ägget kom först”.

Sorkrelationer och krönikor som havererar

För ett par veckor sen skrev Elin Grelsson Almestad en krönika om biologisk forskning. Den bygger på en TT-text, som kan läsas till exempel i DN. Jag skriver om den av två anledningar: 1) den nämner ett av de intressantaste exemplen på när en känd genetisk variant orsakar (ja, orsakar!) en skillnad i beteende — i det här fallet mellan olika arter av sorkar; 2) den är ett exempel på hur svepande och konstigt det blir om en ska kritisera forskning utifrån TT-texter.

Det här är lite vad jag tänker:

  • För det första känns det sådär att vara någon tomte på internet som kritiserar Elin Grelsson Almestad. Där är man (så!) nog i ganska dåligt sällskap. Överhuvudtaget känns det som ett typiskt exempel på populär/vetenskapens saga: en vetenskapare säger eller skriver något käckt spekulativt som är vagt relaterat till hens forskning men är tänkt att väcka intresse (för väldigt många verkar tro att folk i allmänhet inte är intresserade av vad forskningen handlar om, utan bara dess mest dramatiska potentiella konsekvenser); en journalist skriver ett referat eller ett referat av ett referat i en nyhetsartikel; en politiskt och samhällsvetenskapligt orienterad krönikör parodierar referatet och lägger till en sensmoral om naturvetenskapens världsfrånvändhet; någon bloggare (jag) rycker ut på en käpphäst till vetenskapens försvar … Suck.
  • Såklart håller jag rätt mycket med om Elin Grelsson Almestads kritik av TT-artikeln. Den ger heller ingen ordentlig källhänvisning varken till New Scientist-artikeln den refererar — jag tror att det kan vara den här (kostar pengar att läsa) —  eller den vetenskaliga artikeln (om sorkar) som nämns.
  • Som många intressanta projekt har sorkforskningen ifråga genererat en bunt artiklar. Nyhetsartikeln nämner en studie publicerad i Neuroscience, och det finns minst två, men den som avses är antagligen: Pitkow m fl. (2001)  Facilitation of Affiliation and Pair-Bond Formation by Vasopressin Receptor Gene Transfer into the Ventral Forebrain of a Monogamous Vole. Neuroscience 15 ss. 7392-7396. Beskrivningen av experimentet i TT-artikeln är inte så dum: Det finns en receptor för hormonet vasopressin vars uttrycksmönster som skiljer sig mellan sorkarter med olika parningsbeteende (en monogam och en promiskuös art). Artikeln beskriver ett genterapiliknande försök som visar att mer vasopressinreceptorer gör sorkhanar mer intresserade av att stanna med en hona de sovit i samma bo som — och tyder alltså på att det är en skillnad i uttryck av just den här genen som förklarar åtminstone en del av beteendeskillnaden.
  • Jag ska inte kritisera Anders Sandbergs och Julian Savulescus debattartikel, för jag har inte läst den. Men något som framgår tydligt redan av TT-texten är att de själva inte jobbar på något piller mot skilsmässa. Och det gör, såvitt jag vet och kan bedöma av deras artikel, inte sorkforskarna heller. Aders Sandberg jobbar på Future of Humanity Institute i Oxford och Julian Savulescu på Oxford Centre for Neuroethics. Med all respekt för deras arbete inom beräkningsbiologi och etik — som jag inte gjort någon ansats att sätta mig in i — är det rätt klart att de inte berättar om pågående utveckling av en medicin utan föreslår en spekulativ tillämpning av forskning som handlar om något annat.
  • Elin Grelsson Almestad tycker tydligen att förslaget är ett etiskt haveri. Det kanske det vore. Men ett provokativt förslag från två futurister är en dålig grund prata om dålig biologisk vetenskap. Slutet av krönikan tangerar också en typ av kritik som jag gör mig irriterad: när vi vet att en massa andra faktorer spelar roll för mänskligt välbefinnande, då är det tydligen slöseri med tid att forska på hur relationer och parbindning fungerar (vilket jag tror är en bättre beskrivning av vad sorkforskningen ovan kan åstadkomma). Om en resonerar så, hur avgör en då vilken forskning som är viktig och värdig — och kommer det alls finnas utrymme för att göra något annat än tillämpad medicinsk forskning?
  • Till sist, om sorkresultaten alls ska tillämpas på mänskliga relationer, så är det obligatoriskt att hänvisa till Lisa Grubb:

(Även om vasopressinreceptorerna i sorkarnas hjärnor har väldigt lite med njurarna att göra.)


Vad får man om man multiplicerar sex med sju? How many roads must a man walk down? Biologins tråkiga stora frågor.

”En groende avundsjuka märks ibland hos biologer över fysikernas förmåga att få uppmärksamhet”, skriver Ulrika Björkstén på SR, såvitt jag kan se grundat på absolut ingenting mer än en formulering i Nature häromsistens. Där föreslog Heidi Ledford fyra stora frågor inom biologin att betrakta som jämförbara med partikelfysikernas jakt på Higgs-bosonen.

Frågorna lyder: ”Finns det utomjordiskt liv? Finns det okänt liv på jorden? Hur uppstod livet? Och kan vi hindra åldrandet?”

Det som utmärker de här fyra frågorna, tycker jag tralala, är att de är så ointressanta: kanske med undantag av åldrandet är de rätt allmänt hållna, och  de är väldigt långt från vad som gör mig exalterad och inspirerad — och det är jag åtminstone inte helt ensam om.  Men om du har några exempel på bra spännande astrobiologi, till exempel, får du gärna skicka dem till mig; jag är inte sämre än att jag kan ändra mig!

Om vi ska föreslå några stora egna frågor som både är svåra, viktiga och intressanta varierar det garanterat mellan olika fält av biologi. Men mitt förslag på en fråga skulle nog lyda typ:

Vad är de molekylära förklaringarna till den saknade heritabiliteten i mänsklig längd (eller personlighet)?

Både längd och resultat på personlighetstester (som de så kallade stora fem) har i allmänhet hög heritabilitet (en avsevärd del av variationen inom mänskliga populationer är ärftlig), men kartläggningar hittar ytterst få genetiska varianter som kan förklara den. Och förresten — liknar inte det här sökandet efter den där bosonen, i alla fall på ett ytlligt plan? Vi har teorier som säger att gener och alleler i fråga måste finnas — men det kommer krävas tunga studier och en hel del påhittighet och metodutveckling för att verkligen hitta dem.

De signaler som hittas har i allmänhet liten effekt, så antagligen är det fråga om en stor mängd varianter som var och en har en ytterst liten effekt. Vi vet påfallande lite om sådana små varianter, om hur allelerna fungerar molekylärt, hur de interagerar och hur de bidrar till evolutionär anpassning. Rymden eller livets uppkomst i all ära, men det är sånt som gör mig entusiastisk!

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