Med gener langs grener på slektskapets tre

I vår gruppes forskning har vi benyttet arvestoffet (DNA) til å avdekke nye deler av utviklingshistorien. Forskningen har også resultert i ny, matnyttig kunnskap og teknologi. Men utgangspunktet er hele tiden noen spørsmål som pirrer vår nysgjerrighet.

Hva er det som gjør at to arter er forskjellige? Hvordan oppstår arter, og hva er en underart? Når er det riktig å snakke om populasjoner («befolkninger») og ikke arter? Svarene på slike spørsmål handler om genetiske forskjeller. Hvordan har evolusjonen foregått fra de enkleste tidlige organismene til dem vi finner i dag? Hva slags mekanismer ligger til grunn for den genevolusjon som har funnet sted? Slike spørsmål er sentrale i evolusjonsbiologi, men også når vi vil forstå dagens mangfold av levende vesener på jorda, det være seg bakterier, planter, insekter eller pattedyr.

La oss straks gå et skritt videre - eller tilbake - og spørre: Hvordan så egentlig de første levende celler ut, og hvordan har arvestoffet (DNA) oppstått? Siden fossilene ikke gir et fullstendig bilde - fossiler inneholder jo ikke gener - er det da rett og slett umulig å kunne si noe substansielt om de molekylære prosesser som har foregått i løpet av evolusjonshistorien? Svaret er heldigvis at det er mulig å rekonstruere forutgående hendelser og tilstander fra den genetiske variasjon vi finner i dag. Forskeren kan her sammenliknes med en kriminaletterforsker som ut fra funnene på åstedet skal rekonstruere hendelsesforløpet til forbrytelsen. Skal man rekonstruere utviklingshistorien til en art eller en populasjon, er de forskjellene man kan finne her og nå i utvalgte DNA-sekvenser (biter av arvestoff), et av de beste verktøy.

Men dette må ikke forenkles dit hen at studiet av arvestoffet gir oss en fiks ferdig beretning om begivenhetene i en arts utviklingshistorie. Forholdet mellom arv og miljø er høyst komplekst, og langt fra så enkelt som man kan få inntrykk av gjennom medie-oppslag (jfr: «genet for godt humør funnet av norske forskere»). Ikke minst gjelder dette spørsmålet om hva som er den drivende kraft i forandringen av genene over tid: Er det mutasjoner, altså tilfeldige prosesser i nøytrale gener, eller er det seleksjon, som vi kan si er miljøbetinget? (1)

Cyanobakterier stjeler gener

Prekambriske fossiler av cyanobakterier - eller blågrønnalger som det het før - forteller oss at disse organismene er mer enn 1.5 milliarder år gamle og at de formene som fantes i begynnelsen, synes å likne mistenkelig på de formene som lever på jorda i dag. Siden bakterier formerer seg ved kloning (dvs. at en celle deler seg og gir opphav til to genetisk identiske celler), har man lenge lurt på hvordan arter eller stammer holder seg konstante og ikke bare muterer i hytt og pine. Og kan vi egentlig snakke om arter når det gjelder bakterier? Paradokset er at bakteriene ser ut til å være mer konstante enn hva man kunne forvente av organismer som formerer seg ved kloning. Etter min oppfatning er det ikke tilstrekkelig å forklare at bakteriene forandrer seg så lite ved utelukkende å trekke fram den seleksjonen de er utsatt for. Det er faktisk ganske usannsynlig at de fossilene vi kjenner fra jordas urtid og de tilsvarende artene som lever i dag har vært utsatt for det samme miljø, og dermed et konstant seleksjonspress. Vår forskergruppe har undersøkt slektskapet på gen-nivå mellom ulike stammer av cyanobakterier. Høyst overraskende viser det seg at mens noen DNA-sekvenser oppfører seg pent og gir oss utviklingstrær som samsvarer med hva man skulle forvente, røper andre sekvenser helt kaotiske slektskapsforhold mellom nært beslektede arter.

Ser vi nærmere på dette kaos, synes det for eksempel klart at (trekk pusten dypt nå, kjære leser) et genområde som blant annet koder for en underenhet av det enzym som fikserer karbondioksyd i forbindelse med fotosyntesen (rbcLX), framtrer som en mosaikk av småbiter hvor hver bit stammer fra hver sin stamme. Statistiske tester underbygger klart denne konklusjonen. Vår forklaring på dette fenomenet er at deler av dette genet er blitt overført kun mellom nært beslektede stammer. Den horisontale overføringen av gener mellom disse stammene er sannsynligvis ikke noe som bare skjedde en gang for lenge siden, den skjer kontinuerlig. Genoverføringen er sannsynligvis en mekanisme som kan beskytte bakteriene mot skadelige mutasjoner i et essensielt gen, og en effekt av slik genoverføring er at evolusjonshastigheten avtar. Genoverføring kan altså bidra til å stabilisere synlige (morfologiske) karakterer. Vi vet ikke i dag hvilke mekanismer som styrer overføringen av gener, men det vil vi gjerne finne ut av.

Det er ikke bare gener som stjeles i naturen. Dinoflagellatene, en gruppe alger, har stjålet en annen type alge (en haptofytt). Tyven har så degenerert tyvgodset blant annet ved å overføre en del av haptofyttgenene til sin egen kjerne. Dermed er bare kloroplasten (der hvor fotosyntesen skjer) igjen.(2) Altså: Dinoflagellatene har vært dyr, men er så blitt planter ved å stjele en alge. Ser vi på genene som finnes i kjernen til dinoflagellatene, så likner disse genene mest på genene til malariaparasitten Plasmodum og dens slektninger, og ikke på genene til andre alger. Men så kommer det overraskende: Malariaparasitten har en tilbakedannet kloroplast; altså en kloroplast den er i ferd med å kvitte seg med! Med andre ord: Malariaparasitten har vært en plante, og er på vei til å bli et dyr!

For oss molekylærbiologer framtrer genmassen både hos bakterier og høyere organismer som en «prosess som er i kontinuerlig forandring» og ikke som en konstant enhet. Man kan være fristet til å si at organismene alene, eller i fellesskap, manipulerer sine gener.

Abboren forteller oss om istiden

Ved å studere menneskets gener, har forskerne blitt enige om at Afrika er menneskehetens vugge. Abborens vugge finnes trolig på Balkan.

I vår forskning har vi brukt abbor som en modellfisk for å forstå hvordan ulike fiskeslag kan ha kolonisert Europa, og Norge spesielt, etter istiden. Her følger noen smakebiter på hva vi har funnet ut ved å sette abborens genetiske data opp mot den geografiske fordelingen vi har på prøvene våre: De evolusjonært eldste genvariantene finnes i tilknytning til Donau/Balkan området. Abbor fra dette området har spredt seg til områdene rundt Svartehavet og Det kaspiske hav hvor populasjonen har ekspandert. Dette må ha skjedd for mer enn 15000 år siden. Deretter har abbor fra Svartehavsrefugen (refuge: tilflukts-/tilholdssted) fulgt etter isens tilbaketrekning og etablert nye refuger, ett i midt-Russland og ett lenger vest, muligens i Polen. Fra midt-Russland har abboren kolonisert Sør-Norge, Finnmark og til dels Finland/Sverige. Dette skjedde tidlig, trolig under den baltiske israndsjø-perioden (15000 - 10000 år siden). Senere har Skandinavia, inkludert Norge på østsiden av Oslofjorden, blitt kolonisert på nytt fra Polen og Svartehavs-refugene. Dette har skjedd i Ancylussjø-perioden (9500-8000 år siden). Denne hendelsen er den fiskebiologene sikter til når det gjelder innvandring av såkalt øst-fisk («hvitfisk») til Norge. Den siste innvandringen skjedde i Vest Europa, trolig fra refugen i Polen. Her i Vest-Europa finner vi svært liten genetisk variasjon. Med andre ord, vi har ved å anvende genetikk funnet nye refuger, og vi har indikasjoner på at abbor har innvandret i flere omganger til landet vårt. På bakgrunn av våre data kan vi også uten å ha undersøkt genetikken til en abbor-befolkning, forutsi genetisk variabilitet og slektskap ut fra geografisk lokalisering. Vi mener det er all grunn til å gå ut fra at annen fisk i stor grad har fulgt de samme ruter som abboren. Sist, men ikke minst, denne type forskning har gitt bedre innsikt i istidsforholdene i Europa. For å sette det på spissen: Med abboren som ‘forteller' trenger vi ikke studere en eneste bre eller morene for å lære om istidene.

Hva kjennetegner populasjoner hos laks og makrell?

Vi har studert genetisk variasjon også hos andre fiskeslag, slik som blant annet laks. De naturlige laksebefolkningene som vi finner i store elver, skiller seg klart fra hverandre. De er med andre ord tilstrekkelig atskilte til at de differensierer genetisk. Dette er i tråd med hva lokale fiskere alltid har hevdet: Laksen i deres elv er forskjellig fra laks i andre elver. Ser vi på oppdrettslaksen, skiller den seg klart fra de elvene vi har undersøkt, men den har en relativt høy genetisk variabilitet. Imidlertid er en rekke genvarianter som finnes i villaks, ikke til stede i oppdrettslaks. Hvis vi ønsker å bevare lokale laksestammer, er det klart at vi må ta vare på de genetiske særtrekk som finnes i dagens populasjoner.

Makrell er en frittsvømmende fisk med stor bevegelseskapasitet og store populasjoner. Våre undersøkelser av makrellen forteller at den har en mye høyere grad av variasjon enn både laks og abbor. Til tross for at vi har undersøkt et stort antall makrell, oppdager vi stadig vekk nye genetiske varianter. Det er lite som tyder på at vi kan snakke om norske populasjoner av makrell, kanskje heller ikke nordsjøpopulasjoner. Det ser ut til å være en slags kontinuerlig populasjon over store deler av Nord-Atlanteren. Men likevel er ikke makrellen genetisk helt lik overalt. Størst variasjon finner vi i områdene rundt Spania og minst variasjon i Nordsjøen. Det er også genetiske data som taler for en ganske nylig populasjonsekspansjon i Nordsjøen. I dag ser vi imidlertid en klar tilbakegang i makrellstammene som har tilknytning til Norge.

Original grunnforskning fører til praktiske anvendelser

Har disse ulike eksemplene på genetisk grunnforskning noen som helst slags praktisk betydning for vårt daglige liv? Særlig kan man lure på om evolusjonsbiologien til cyanobakterier eller dinoflagellater eller for den saks skyld populasjonsgenetikken til en unyttig fisk som abbor, er av noe mer enn akademisk interesse? Som den våkne leser alt har forstått, er all den forskning jeg her har vært innom, av stor praktisk interesse. For å ta cyanobakteriene og dinoflagellatene først: Begge grupper organismer skaper store problemer når det er en oppblomstring i hav eller ferskvann fordi mange av artene produserer farlige giftstoffer. Noen av giftstoffene er dødelige, andre gir lettere forgiftninger slik som kvalme, oppkast og diaré;. Blåskjellforgiftning skyldes stort sett ulike typer dinoflagellater. Kunnskapen om dinoflagellatene er for øvrig også nyttige i oljeleting. Cyanobakteriene er problematiske i forbindelse med drikkevann, særlig i tempererte strøk, men også i Norge er det blitt slått alarm mange ganger. Både dinoflagellater og cyanobakterier kan være vanskelige å diagnostisere, dvs. artsbestemme, og metodene som brukes i dag, er lite presise og tar relativt lang tid å utføre. Dessuten må man ofre livet til et høyt antall rotter og andre laboratoriedyr for å teste giftinnholdet i vannprøver eller sjømat. Har man derimot informasjon om gensekvensene til giftige alger og bakterier samt beslektede arter som ikke er giftige, kan man basert på genene lage enkle, sikre og presise tester for giftige alger. Ved å anvende DNA er det også mulig å automatisere hele deteksjonsprosessen slik at man kan ha apparatur stående ute i vannet hele tiden, og dermed få «on-line»-rapporter om alger. Automatisk apparatur som måler alger og bakterier basert på DNA, er ennå ikke utviklet, men min forskningsgruppe har utviklet tester som påviser bestemte cyanobakterier og dinoflagellater. Metodikken går ut på først å konsentrere opp cellene ved å binde dem til magnetiske partikler (Ugelstad-kuler), så isolere DNAet ved hjelp av de samme kulene og deretter utføre en gentisk test hvor sluttresultatet leses av som utsendt lys (fluorescens) som kan kvantifiseres. Denne prosessen kan utføres for eksempel ved hjelp av en såkalt DNA- eller bio-brikke. Vi holder på for tiden å utvikle tester og brikker som vi håper skal kunne tilbys for salg. Siden dette er helt nye prosesser, har vi tatt patent på metodikken.

Vekker oppsikt i USA

I samarbeid med amerikanske forskningsgrupper har vi utviklet en metode for å oppdage og identifisere den ekstremt giftige dinoflagellaten Pfiesteria piscicida. Denne arten, som angriper fisk, produserer en flyktig gift som rammer sentralnervesystemet og gir lammelser og hukommelsetap. Amerikanske myndigheter har i perioder måttet stenge av strandområder som strekker seg fra Sør-Carolina til Boston i nord. Dette koster selvsagt store summer å gjennomføre. Problemet med denne arten er at den er svært vanskelig å påvise, og den forekommer alltid sammen med andre, ofte giftige (men ikke like farlige) dinoflagellater og bakterier. Metoden vi har kommet fram til, går ut på å lage en DNA-profil som beskriver den komplekse blandingen vi har av gener fra mange forskjellige arter. Fordi vi kjenner gensekvensen til Pfiesteria, kan vi sette denne til blandingen og få en bestemt reaksjon. Dette har vakt oppsikt i USA. Liknede framgangsmåter vil vi kunne benytte på arter som er giftige i våre farvann også.

Avsløring av tjuvfiske

Hvilken praktisk betydning kan så populasjonsgenetiske studier ha? Svaret er at de har mange praktiske anvendelser. Når det gjelder å ta vare på en truet art, vil informasjon om den utviklingshistoriske geografi fortelle oss hvor vi kan vente oss størst genetisk variasjon eller hvor vi kan vente å finne individer som er genetisk forskjellige. Skal man ha håp om å redde en truet art, vil man normalt søke å opprettholde mest mulig av de genene som finnes i populasjonen eller arten. Når det gjelder fisk av økonomisk betydning, har vi kvotereguleringer som er fastsatt ut fra antatte populasjonsstørrelser. Genetikken kan her gi oss vesentlig mer eksakte opplysninger om hvor stor en populasjon kan være, og ikke minst hvordan vi skal definere en populasjon. I Norge har vi problemer med den uønskede fisken ørekyte som har spredt seg til mange viktige ørretvassdrag, nylig også på Hardangervidda. Man vet ikke hvorfor eller hvordan den har spredt seg så kraftig i det siste. Imidlertid finnes det mange teorier om dette som blant annet omfatter sportsfiskere som har brukt ørekyte som levende agn og at den kommer som «forurensning» fra ørretoppdrettsanlegg. Slike teorier kan etterprøves ved å undersøke genene til ørekyten fra et populasjonsgenetisk synspunkt. I samarbeid med Direktoratet for naturforvaltning, Østlandsforskning og Norges vassdrags- og energiverk holder vi på med en slik undersøkelse. Resultatene fra dette er ikke helt klare ennå, og de må jeg derfor vente med å avsløre til en senere anledning.

Vi kan også bruke genetikken til å identifisere hvor en fangst kommer fra (finne ut om den er lovlig eller ikke), og vi kan bruke DNA til å teste om matvarer hvor fisk, sjømat eller kjøtt inngår som en ingrediens, er det det gir seg ut for å være. DNA-testing vil tvinge seg fram som en nødvendighet når vi framover skal teste importerte eller egenproduserte matprodukter for hvorvidt de inneholder genmodifiserte råvarer. Jeg ser for meg at det vil bli laget DNA-brikker for en rekke av de formålene nevnt ovenfor.

Litt forskningspolitisk krutt til slutt

La meg avslutte med noen spissformuleringer omkring anvendt og basal forskning. Hvis vi bare hadde satset på praktiske anvendelser av vår forskning, ville det meste av den kunnskapen jeg har tatt opp her, faktisk ikke foreligget. Da ville vi heller ikke kunne utvikle de anvendelsene jeg har nevnt overnfor. Det var de mange «nysgjerrighetsbetingede» spørsmålene vi stilte innledningsvis, som ga resultater - ikke for eksempel konkrete problemer i norsk fiskeforvaltning. Dessverre er det faktisk slik at en for stor andel av anvendt forskning ikke holder mål kvalitetsmessig, nettopp fordi den ikke er knyttet til grunnforskning. Skal vi få praktiske resultater som blant annet lar seg kommersialisere, må man starte med å støtte opp om grunnforskningen - det er der de praktiske anvendbare resultatene kommer fra. En grunnregel for bevilgende myndigheter og industri som driver forskning innenfor biogenetikk-feltet, bør være at original grunnforskning av høy kvalitet a priori gir anvendbare resultater.(3)

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Basale biofag, Genetikk Av Kjetill S. Jakobsen, professor i generell genetikk
Publisert 1. apr. 1998 00:00
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere