Natur mod opdragelse mod støj

Videnskabsfolk betragter typisk fænotypen af en celle eller organisme – de træk, den udtrykker i form, fysiologi og adfærd – som værende den komplekse sum af genetiske og miljømæssige faktorer, eller “natur” og “opdragelse”. En stor del af forskningen er dedikeret til at identificere førstnævnte faktorers bidrag: at finde ud af, hvordan bestemte mutationer f.eks. kan bestemme formen af et lem eller udbruddet af en sygdom. “Det er bestemt et meget stærkt paradigme”, siger Arjun Raj, der er systembiolog ved University of Pennsylvania. “Vi har lært enormt meget af det, og det er virkelig nemt at fortælle en historie om det.”

Alt, der ikke kan tilskrives genetisk kontrol, har en tendens til at blive tilskrevet forskellige miljøfaktorer, lige fra ernæring til stress og idiosynkratiske sociale interaktioner. Det er en tankegang, der “antyder, at det må være noget uden for organismen”, siger Kevin Mitchell, der er genetiker og neurovidenskabsmand ved Trinity College Dublin.

Men der er masser af beviser for, at dette ikke er helt sandt. Enæggede menneskelige tvillinger, der deler både et genom og et hjem, ser ikke nøjagtigt ens ud og opfører sig ikke nøjagtigt ens. En mutation, der forårsager en forstyrrelse hos den ene, er måske ikke tilfældet hos den anden. Tvillinger har endda forskellige fingeraftryk.

Det samme gælder for bakteriepopulationer, klonede fisk og indavlede fluer og mus. Nogle patogener eller kræftceller udvikler lægemiddelresistens, mens deres genetisk identiske søsterceller går til grunde. Marmorkrebs-søskende, der er opdrættet i et laboratorium, hvor deres miljø holdes konstant, ender ikke bare med at få forskellige farver eller former eller adfærd – deres forskelle er også betydelige nok til, at de kan etablere et helt socialt hierarki.

Selv inden for en individuel organisme opstår der asymmetrier mellem venstre og højre side af ansigtet, kroppen og hjernen. Forskningen gør det stadig tydeligere, at disse forskelle ikke alle kan afskrives som uforklarlige miljøeffekter.

Det efterlader støj – de tilfældige rystelser og svingninger, der kendetegner enhver biologisk proces. “Støj er uundgåeligt”, sagde Andreas Wagner, der er evolutionsbiolog ved universitetet i Zürich, “et uundgåeligt biprodukt af livet.”

Det, der gør støj uundgåeligt, forklarede Mitchell, er, at enhver organisme er alt for kompleks til, at generne udtømmende og egenhændigt kan afgrænse præcis, hvordan den skal opbygges. Alene hjernens ledninger må opstå med relativt få instruktioner.

“Genomet er ikke et blueprint,” sagde Mitchell. “Det koder ikke for et bestemt resultat. Det koder kun for nogle biokemiske regler, nogle cellulære algoritmer, hvormed det udviklende embryo vil organisere sig selv.” Molekyler hopper rundt og interagerer i en celle, binder sig og trækker sig fra hinanden og spreder sig tilfældigt. De processer, der danner proteiner og tænder og slukker for gener, er underlagt denne “molekylære jitter i systemet”, som Mitchell kalder det – hvilket fører til en vis grad af tilfældighed i, hvor mange proteinmolekyler der dannes, hvordan de samles og foldes, og hvordan de opfylder deres funktion og hjælper cellerne med at træffe beslutninger.

Som følge heraf er det helt naturligt, at udviklingen, den komplekse proces, der gør en enkelt celle til en hel organisme, ville være “lidt rodet”, siger Mitchell.

Men udviklingsstøj blev ofte afvist som ikke mere end det: noget, der slører, hvordan biologiske systemer ideelt set burde fungere. Det blev ikke behandlet som en kilde til biologisk kreativitet i sig selv, og det virkede bestemt ikke som noget, der kunne ligge til grund for store forskelle i så vigtige egenskaber som adfærd eller personlighed.

Selv når forskerne ønskede at fokusere på virkningerne af denne støj, fandt de sig selv støde på en mur: Støj er pr. definition ikke systematisk eller forudsigelig, og som følge heraf er det næsten uoverkommeligt svært at isolere og måle. “Det er det sværeste at kontrollere, at lege med”, siger Bassem Hassan, neurobiolog ved Paris Brain Institute. “Man kan lege med genomet, man kan lege med miljøet, man kan lege med fysiologien, man kan aktivere visse celler og ikke andre. … Det er meget sværere at manipulere variationen” og bevise, at den er årsag til forskelle i en egenskab af interesse.

Mitchell var enig. “I sagens natur,” sagde han, “er tilfældige ting bare super svære at arbejde med.”

Men det er begyndt at ændre sig. Værktøjer til at studere de enkelte cellers adfærd, herunder deres genekspression, proteinproduktion og beslutninger om udviklingsskæbne, er blevet så sofistikerede, at forskerne kan stille spørgsmål om mere subtile årsager til variation. Og det, de har fundet ud af, er, at udviklingsstøj spiller en rolle, som ikke længere kan overses. Det er ikke bare en uundgåelig effekt, som levende systemer må finde sig i, men noget, som disse systemer har udviklet sig til at drage fordel af, hvilket gør det til en nødvendig drivkraft for et individs rette udvikling og måske endda for evolutionen i bredere forstand.

En regnbue af tilfældigheder

Et vendepunkt kom i 2002. Det begyndte med bakterier og en regnbue.

Michael Elowitz, professor i biologi og biologisk ingeniørvidenskab ved California Institute of Technology, og hans kolleger ønskede at teste variation i E. coli-celler, der voksede i det samme miljø. De indsatte to kopier af et gen i bakterierne: et gen, der kodede for et cyan fluorescerende protein, og et andet, der kodede for et gult protein. Da de havde konstrueret generne til at blive reguleret på samme måde, forventede de at se cellerne producere begge proteiner i lige store mængder. I stedet blev de cyanfarvede og gule gener udtrykt ujævnt i hver enkelt celle – og disse forhold var meget forskellige fra celle til celle. Nogle celler lyste mere gult end cyan, andre mere cyan end gult. Andre igen var mere blandet, og alt dette skete tilsyneladende tilfældigt. Denne regnbue, indså Elowitz og hans hold, var et klart resultat af den støj, der er indbygget i processen med genekspression. De så endelig virkningerne af “molekylær jitter.”

Siden da har forskerne undersøgt den rolle, som iboende støj spiller i andre cellulære processer. Den kan ses i den måde, hvorpå en population af identiske celler giver anledning til forskellige specialiserede efterkommere; i den måde, hvorpå nogle, men ikke alle i en gruppe af celler kan reagere på et givet signal; i den måde, hvorpå et væv under udvikling får et mønster. Celler gør brug af støj for at skabe den nødvendige variabilitet i deres adfærd og biologiske tilstand.

Men det er på celleniveau. Det kunne være, at disse forskelle har en tendens til at udligne sig på tværs af mange sådanne celler. At skille ud, om støj rent faktisk kunne påvirke organismer på højere niveau – og dermed sprede sig gennem udviklingen for at påvirke, hvordan et voksent dyr ville udvikle sig – var derfor en anden historie.

For det første ville det kræve meget specifikke eksperimentelle systemer bestående af mange individer med de samme genomer, der omhyggeligt opdrættes under de samme miljøforhold. I et vist omfang er det blevet gjort. Forskere har fundet ud af, at indavlede, genetisk identiske fluer i laboratoriet udviser unikke præferencer, når de reagerer på en navigationsopgave. Klonfisk udviser en adfærd, der er lige så forskelligartet som den, der er observeret hos genetisk variable fisk, mens ændring af fiskenes miljø har en ubetydelig effekt.

Men disse resultater beviser stadig ikke, at støj under udviklingshændelser har forårsaget disse specifikke forskelle. “Bekymringen, når du siger, at der er en vis variabilitet i anatomi eller fysiologi,” sagde Mitchell, “er, at folk altid kan komme tilbage og sige: ‘Nå, det er bare en miljøfaktor, som du ikke kendte til.'”

Men en ny undersøgelse, der er offentliggjort på preprint-webstedet biorxiv.org i december, har taget denne slags arbejde til genekspressionsniveauet – og det er endda hos et pattedyr.

Hold fast i det ni-båndede bæltedyr.

The Quadruplets That Aren’t

Nine-banded armadillos har en usædvanlig forplantningsstrategi. De får altid kuld af firlinger, fire genetisk identiske bæltedyrsbørn. Jesse Gillis, der er computerbiolog ved Cold Spring Harbor Laboratory i New York, og hans kolleger besluttede at udnytte dette fødselsmønster til at bestemme, hvornår tilfældig udviklingsstøj begynder at føre til forskelle i de voksne dyrs fysiologi og adfærd.

“Det er et fantastisk system at arbejde eksperimentelt med,” sagde Mitchell, der ikke var involveret i arbejdet. “Jeg mener, hvem kan ikke lide bæltedyr?”

Gillis’ hold fandt snart ud af, at variation i genudtryk optræder meget, meget tidligt.

De fik blodprøver fra fem bæltedyrkuld, sekventerede deres RNA tre forskellige gange i løbet af året efter dyrenes fødsel og analyserede disse data for unikke genudtryksmønstre. De begyndte med at se på en klassisk tilfældig proces i genetik: inaktivering af et X-kromosom.

I bæltedyr, mennesker og de fleste andre pattedyr har hunnerne to X-kromosomer i hver af deres celler. For at holde ekspressionsniveauet af X-bundne gener ensartet mellem hanner og hunner, bliver det ene X-kromosom på et tidspunkt i løbet af udviklingen helt slået fra. Om en celle vælger at slukke for det X-kromosom, der er nedarvet fra organismens mor, eller det, der er nedarvet fra dens far, sker helt tilfældigt – som at slå med en mønt, siger Gillis. Men dette møntkast sætter i sten, hvilke af forældrenes X-relaterede gener der vil blive udtrykt i alle cellens efterkommere.

Gillis’ analyse viste, at dette vilkårlige møntkast fandt sted, da bæltedyrsembryonerne bestod af blot 25 celler. Og fordi den præcise kombination af 25 tilfældige X-valg fra moderens eller faderens side var forskellig i hvert embryo, blev den en permanent “identifikationssignatur” for hvert af de genetisk identiske medlemmer af bæltedyrsbrystet.

Gruppen vendte derefter sin opmærksomhed mod de 31 andre kromosompar i bæltedyrene. Ingen af kromosomerne i disse par bliver så fuldstændigt tavse som det inaktiverede X, men der opstår forskelle i hvor aktive de enkelte kromosomer er, og hvor meget de hver især bidrager til den samlede genekspression. Forskerne brugte en maskinlæringsmetode til at analysere, hvornår disse unikke forhold blev fastlåst i cellelinjerne. De anslog, at det skete, da embryonerne kun havde et par hundrede celler.

I et bæltedyr, der i sidste ende vil have omkring en billion celler, “sker disse begivenheder så tidligt”, sagde Kate Laskowski, en adfærdsøkolog ved University of California, Davis, der udfører beslægtet arbejde i klonede fisk, men som ikke deltog i undersøgelsen. “De har mulighed for at have virkelig stærke virkninger nedstrøms. En celle tidligt i din udvikling vil være stamfader for hundredvis, tusindvis, millioner af celler senere i livet.”

Det er ligesom krusninger, der breder sig i vandet: Smid en sten i en sø, og dens vægt og form vil sammen med den kraft, hvormed den kastes, få den til at skabe en anden krusning end en anden sten ville gøre. Den forudsigelige fysik for, hvordan en krusning breder sig, lader virkningerne af disse unikke startbetingelser sprede sig. På samme måde forstærkes den tilfældige støj, der skaber et lidt anderledes mønster af genekspression i hvert enkelt bæltedyrsembryo, gennem sin indflydelse på andre udviklingsprocesser og giver i sidste ende forskelle i egenskaber.

For at bestemme, hvad disse nedstrømsvirkninger kan være, undersøgte forskerne forskelle i den samlede genekspression. De fandt, at bæltedyrssøskende varierede i deres udtryk af omkring 500 til 700 af deres 20.000 gener (selv om forskerne også forventer, at deres analyse overså nogle udsving, så dette kan være et underestimat). Desuden var det ikke altid de samme 700 gener eller deromkring, der blev påvirket i hvert kuld, hvilket giver yderligere bevis for, at tilfældighed dikterede variationen.

Disse forskelle i genekspression syntes til gengæld at korrelere med forskelle i en række egenskaber, især dem, der er forbundet med immun- og hormonelle processer. Det mest indlysende var, at i et kuld var nogle af generne forbundet med muskelvækst – og disse søskende varierede faktisk betydeligt i størrelse. Selv om der er behov for yderligere arbejde for at cementere disse sammenhænge, anslog Gillis og hans kolleger, at ca. 10 % af den samlede variation, de observerede blandt bæltedyrene, kunne tilskrives udviklingsstøj.

“Tanken om, at din fænotype, og hvordan du opfører dig, kan være et resultat af tilsyneladende tilfældige begivenheder, når du er en kugle af et par dusin til et par hundrede celler,” sagde Laskowski, “for mig er det fascinerende.”

Fluktuationer, der påvirker adfærd

Disse tilfældige begivenheder synes at spille den største rolle, når det gælder adfærd. Hos mennesker adskiller enæggede tvillinger sig for eksempel langt mere i psykologiske træk, end de gør fysisk. Og da psykologiske forskelle menes at afspejle, hvordan hjernen er sammensat, er det hjernen, forskerne er begyndt at kigge på.

Under udviklingen er hjernen særlig støjende: Forbindelser mellem neuroner vokser konstant og bliver beskåret, ofte på tilfældig vis. Ionkanaler åbnes spontant, og synapser frigiver spontant neurotransmittere uden nogen indlysende grund.

Man har fundet gener, der styrer udviklingsvariationen i anatomiske og adfærdsmæssige træk. Ved at ændre disse gener har forskerne været i stand til at afprøve deres hypoteser om den rolle, som støj spiller for hjernens dannelse og adfærd. Det mest fristende eksempel på dette kom tidligere på måneden i en artikel offentliggjort af Hassan og hans kolleger i Science.