Li Zhao, szef Laboratorium Genetyki Ewolucyjnej i Genomiki Rockefellera (Mario Morgado)

W czerwcu 2000 roku — mniej więcej w tym samym czasie, gdy Li Zhao kończyła pierwszą klasę liceum w Liaocheng, mieście w północno-wschodnich Chinach — Human Genome Project ujawnił roboczy szkic ludzkiego genomu. Chiny, które dołączyły do ​​projektu rok wcześniej, przyczyniły się do sekwencjonowania jednego procenta. „Niewiele”, mówi Zhao, szef Laboratorium Genetyki Ewolucyjnej i Genomiki Rockefellera, ale „wystarczająco dużo, by trafić do wiadomości”.

To wystarczyło, aby ustawić bieg jej kariery, jak również.

„Zawsze byłam bardzo podekscytowana próbą zrozumienia, dlaczego jednostki są różne, dlaczego gatunki są różne” — wspomina Zhao ze swojego biura z widokiem na East River. Zanim jednak dowiedziała się o Human Genome Project, nigdy nie zastanawiała się nad tym, jak geny wpływają na szeroki zakres obserwowalnych cech lub fenotypów występujących w przyrodzie. Dziś prawie bez przerwy rozmyśla nad takimi pytaniami – i szukając odpowiedzi, zmieniła nasze rozumienie tego, jak geny powstają, rozprzestrzeniają się i ewoluują, kształtując jednostki i całe gatunki.

Szczególnym przedmiotem fascynacji Zhao są tak zwane geny de novo, które wyłaniają się z wcześniej niemych lub niekodujących odcinków DNA, jak Atena wyskakująca w pełni uformowana z czoła Zeusa. Kiedyś uważano je za tak rzadkie jak jednorożce; ale w ciągu ostatniej dekady Zhao i jej współpracownicy ustalili, że geny de novo są w rzeczywistości dość powszechne, identyfikując ponad 500 genetycznych nowicjuszy w Drosophila sam.

Jej badania wykazały, że te unikalne geny stanowią ważne źródło innowacji ewolucyjnych i że mogą być kluczem do rozwiązania wielu trwałych zagadek, w tym dlaczego niektóre podobne geny pojawiają się u bardzo różnych gatunków i jak nowość genetyczna pomaga organizmom przystosować się do ich lokalnych środowisk.

Z nikąd

Jako dziecko główny kontakt Zhao z naturą polegał na odwiedzaniu małej rodzinnej farmy jej dziadków na obrzeżach Liaocheng. Wyraźnie pamięta żywy inwentarz, świetliki przelatujące po wieczornym niebie i cykady, które złapała, gdy wynurzały się z brzęczeniem ze swoich podziemnych nor. „Dźwięk tych owadów jest w zasadzie tłem moich wspomnień” — mówi Zhao, który już wtedy zastanawiał się, jak natura mogła wyprodukować tak szalenie różnorodne stworzenia.

Ta ciekawość ostatecznie doprowadziła Zhao do Uniwersytetu Mongolii Wewnętrznej w północnych Chinach, gdzie rozpoczęła swoje trwające całe życie badanie procesów molekularnych, które napędzają różnorodność biologiczną. Kontynuowała również badanie tej różnorodności z pierwszej ręki, w pewnym momencie wybierając się na 1000-milową wycieczkę w teren, aby zebrać próbki roślin i owadów z pustyń i lasów północnej Mongolii Wewnętrznej. Nie zaczęła jednak zajmować się nowymi genami, dopóki nie przeniosła się do Kunming, aby kontynuować doktorat w Chińskiej Akademii Nauk.

Ewolucja zależy w niemałej mierze od pojawienia się nowych genów oraz od rozprzestrzeniania się lub usuwania tych genów w drodze doboru naturalnego. Jednak kiedy Zhao rozpoczął studia podyplomowe w 2006 roku, biolodzy wierzyli, że nowe geny niezmiennie wyłaniają się z wcześniej istniejących. Może to nastąpić na trzy różne sposoby: poprzez proces taki jak duplikacja, w wyniku którego dodatkowa kopia genu ewoluuje w coś nowego; chimeryzm, w którym fragmenty różnych genów są łączone w nowe geny Frankena; lub poziomy transfer genów, w którym materiał genetyczny przeskakuje bezpośrednio z jednego organizmu do drugiego bez bałaganu reprodukcji. Pomysł, że całkowicie nowe geny mogą pochodzić z sekwencji DNA, które nigdy wcześniej nie produkowały białek, był ledwie akceptowany.

Ale kiedy Zhao rozpoczęła studia doktoranckie, naukowiec David Begun z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Davis zidentyfikował kilka genów de novo w jądrach muszka owocowapospolita muszka owocowa.

„To mnie zachwyciło” — mówi Zhao. „Uważano, że powstanie genu de novo jest niemożliwe”.

Dołączyła do laboratorium Begun jako stypendystka podoktorancka w 2011 roku i natychmiast zaczęła przesuwać granice tego, co naukowcy wiedzieli o tych nagle nie tak niemożliwych genach, badając ich najwcześniejsze etapy rozwoju i mapując, w jaki sposób ewoluowały i rozprzestrzeniały się w populacjach. Zarówno wtedy, jak i teraz, Zhao wykrył słabe sygnały genów de novo i wzorców ekspresji genów w różnych grupach muszek owocówek za pomocą analizy RNA i DNA, genetyki populacji, analizy danych i eksperymentów na zwierzętach.

„Potrzebujemy danych na dużą skalę, aby generować hipotezy i identyfikować geny kandydujące do badania, ale jeśli chcesz zrozumieć, w jaki sposób geny przyczyniają się do biologii, musisz udać się do laboratorium”, wyjaśnia Zhao.

To był radosny czas: Zhao nie tylko opracowywała metody, które później wykorzystała do identyfikacji dużej liczby genów de novo, ale także mogła doświadczyć naturalnej różnorodności Kalifornii ze swoim partnerem, Nicolasem Svetecem, współpracownikiem podoktorskim, który obecnie starszy pracownik naukowy w Rockefeller. Razem wędrowali po strefach przybrzeżnych i lasach sekwojowych Północnej Kalifornii, podziwiając wyniki procesów ewolucyjnych, które starali się zrozumieć w laboratorium. (Dzisiaj dzieli się swoją radością ze świata przyrody z ich trzyletnim synem, którego zabierają na farmy na Long Island.)

Polowanie na geny

Od czasu przybycia do Rockefellera w 2017 roku, polowanie Zhao na geny de novo zaowocowało setkami trafień – niezwykły wynik, gdy taka praca detektywistyczna wymaga znacznej ilości subtelnego śledztwa. Młode są łatwiejsze do wykrycia niż stare, które mogły rozprzestrzenić się tak szeroko, że ich nowość nie jest już widoczna. Ale nawet najmłodsi prawie się nie reklamują.

Większość genów de novo w Drosophila pochodzą z żyznych lęgowisk jąder i są związane z rozmnażaniem – fakt, który Zhao przypisuje znaczeniu doboru płciowego wśród owadów. Ale obecnie bada, czy podobna liczba genów de novo może czaić się w innych tkankach i reagować na podobne presje selekcyjne – praca, która doprowadziła do odkrycia co najmniej kilku genów de novo w tkankach mózgu i serca ludzi. Podczas gdy znaczenie tych odkryć dopiero się okaże, obecność genów de novo w naszych własnych ciałach może ostatecznie rzucić światło na kwestie zdrowia i chorób człowieka.

Z czasem Zhao zamierza również skompilować pierwszy kompleksowy opis ewolucji genów de novo w obrębie gatunku — a mianowicie: Drosophila. Śledzenie pojawiania się i rozwoju genów de novo wśród różnych populacji muszek owocówek, które po raz pierwszy pojawiły się w Afryce i rozprzestrzeniły się na całym świecie wraz z ludźmi, może pomóc w wyjaśnieniu, w jaki sposób adaptacje są dostosowywane do określonych środowisk, co wciąż nie jest dobrze rozumiane, mówi Zhao. . Czy ten sam wspólny zestaw genów de novo może pomóc różnym populacjom Drosophila przystosować się do nowych warunków? A może każdy gatunek muszki owocowej wyewoluuje własną, unikalną kolekcję nowych genów, aby dopasować się do swojej niszy ekologicznej?

„Porównując populacje, powinniśmy być w stanie zrozumieć, czy pewne geny są specyficzne dla określonych populacji, czy też są ważne dla wszystkich populacji” – mówi Zhao.

Zhao rozszerzyła również swoje badania o mechanizmy regulacyjne, które rządzą genami de novo i nowymi białkami, które produkują. Biolodzy od dawna zastanawiają się, na przykład, w jaki sposób pewne geny związane z odpornością powstały w organizmach tak odległych od siebie, jak rośliny i ludzie. Zhao podejrzewa, że ​​mogły pojawić się niezależnie jako geny de novo i ma nadzieję dowiedzieć się więcej o ich pochodzeniu i ewolucji, badając strukturę i funkcję białek, które wytwarzają.

Jednak pomimo całego postępu, jaki poczynił Zhao w ujawnianiu występowania genów de novo i zrozumieniu roli, jaką odgrywają w przyrodzie, najwcześniejszy etap ich narodzin pozostaje owiany tajemnicą. Ale istnieją nieskończone możliwości dalszych badań. „Narodziny i śmierć genów to ciągły proces ewolucji” – mówi Zhao. „W dowolnej populacji iw dowolnym czasie będą rodzić się geny i będą geny, które są tracone”.

I tak jak kosmolodzy patrzą na nocne niebo, aby wywnioskować, jakie były warunki tuż po Wielkim Wybuchu, Zhao wykorzystuje swoje dane, aby wywnioskować możliwą historię pochodzenia genów de novo. Rozpoczyna się losowym połączeniem niekodującej sekwencji z wyspecjalizowanym fragmentem DNA, który kontroluje ekspresję genów, a kończy się zupełnie nowym genem zdolnym do produkcji nowego białka.

Potwierdzenie tej narracji stanowiłoby ważny krok w kierunku zrozumienia, w jaki sposób innowacja ewolucyjna zachodzi na poziomie molekularnym. I podobnie jak wszystkie prace Zhao, pomogłoby to wyjaśnić, w jaki sposób życie na Ziemi stało się tak chwalebną rzeczą.