Natur mot fostran mot buller

Vetenskapsmän anser vanligtvis att fenotypen hos en cell eller organism – de egenskaper som den uttrycker i form, fysiologi och beteende – är den komplexa summan av genetiska och miljömässiga faktorer, eller ”natur” och ”fostran”. En stor del av forskningen ägnas åt att kartlägga de förstnämnda faktorernas bidrag: till exempel för att fastställa hur vissa mutationer kan bestämma formen på en lem eller utbrottet av en sjukdom. ”Det är verkligen ett mycket kraftfullt paradigm”, säger Arjun Raj, systembiolog vid University of Pennsylvania. ”Vi har lärt oss enormt mycket av det, det är verkligen lätt att berätta en historia om det.”

Allt som inte kan tillskrivas genetisk kontroll tenderar att tillskrivas olika miljöfaktorer, allt från näring till stress och idiosynkratiska sociala interaktioner. Det är en tankegång som ”antyder att det måste vara något utanför organismen”, säger Kevin Mitchell, genetiker och neurovetare vid Trinity College Dublin.

Men det finns gott om bevis för att detta inte är helt sant. Enda mänskliga tvillingar som delar både arvsmassa och hem ser inte exakt likadana ut och beter sig inte exakt likadant. En mutation som orsakar en störning hos den ena kanske inte gör det hos den andra. Tvillingar har till och med olika fingeravtryck.

Det samma gäller för bakteriepopulationer, klonfiskar och inavlade flugor och möss. Vissa patogener eller cancerceller utvecklar läkemedelsresistens, medan deras genetiskt identiska systerceller går under. Syskon till marmorkräftor som uppföds i ett labb där deras miljö hålls konstant slutar inte bara med att ha olika färger, former eller beteenden – skillnaderna är också tillräckligt betydande för att de ska kunna etablera en hel social hierarki.

Även inom en enskild organism uppstår asymmetrier mellan vänstra och högra sidan av ansiktet, kroppen och hjärnan. Forskningen gör det allt tydligare att dessa skillnader inte alla kan avskrivas som oförklarliga miljöeffekter.

Det återstår brus – de slumpmässiga skakningar och fluktuationer som kännetecknar alla biologiska processer. ”Buller är oundvikligt”, säger Andreas Wagner, evolutionsbiolog vid universitetet i Zürich, ”en oundviklig biprodukt av livet.”

Det som gör buller oundvikligt, förklarade Mitchell, är att alla organismer är alldeles för komplexa för att generna ska kunna beskriva exakt hur de ska byggas upp på ett uttömmande sätt och på egen hand. Enbart hjärnans ledningar måste uppstå med relativt få instruktioner.

”Genomet är inte en ritning”, sade Mitchell. ”Det kodar inte för något specifikt resultat. Det kodar bara för vissa biokemiska regler, vissa cellulära algoritmer genom vilka embryot under utveckling kommer att organisera sig självt.” Molekyler studsar runt och interagerar i en cell, binder och drar isär och sprider sig slumpmässigt. De processer som tillverkar proteiner och sätter igång och stänger av gener är föremål för denna ”molekylära jitter i systemet”, som Mitchell kallar det – vilket leder till en viss grad av slumpmässighet i hur många proteinmolekyler som tillverkas, hur de samlas och viks och hur de fyller sin funktion och hjälper cellerna att fatta beslut.

Det är därför helt naturligt att utvecklingen, den komplexa process som förvandlar en enskild cell till en hel organism, skulle vara ”lite rörig”, säger Mitchell.

Men utvecklingsbrus avfärdades ofta som inte mer än så: något som grumlar hur biologiska system idealt sett borde fungera. Det behandlades inte som en källa till biologisk kreativitet i sin egen rätt, och det verkade definitivt inte vara något som kunde ligga till grund för stora skillnader i så viktiga egenskaper som beteende eller personlighet.

Även när forskarna ville fokusera på effekterna av det bruset stötte de på en vägg: Brus är per definition inte systematiskt eller förutsägbart, och därför är det nästan oöverkomligt svårt att isolera och mäta det. ”Det är det svåraste man kan kontrollera och leka med”, säger Bassem Hassan, neurobiolog vid Paris Brain Institute. ”Man kan leka med genomet, man kan leka med miljön, man kan leka med fysiologin, man kan aktivera vissa celler och inte andra. … Det är mycket svårare att manipulera variationen” och bevisa att den är orsaken till skillnader i en intressant egenskap.

Mitchell höll med. ”Det ligger i sakens natur”, sade han, ”att slumpmässiga saker är mycket svåra att arbeta med.”

Men det börjar förändras. Verktyg för att studera beteenden hos enskilda celler, inklusive deras genuttryck, proteinproduktion och utvecklingsbeslut, har blivit tillräckligt sofistikerade för att forskarna ska kunna ställa frågor om mer subtila orsaker till variation. Och vad de har upptäckt är att utvecklingsbrus spelar en roll som inte längre kan förbises. Det är inte bara en ofrånkomlig effekt som levande system måste stå ut med, utan något som dessa system har utvecklats för att dra nytta av, vilket gör det till en nödvändig drivkraft för en individs korrekta utveckling och kanske till och med för evolutionen i stort.

En regnbåge av slumpmässighet

En vändpunkt kom år 2002. Det började med bakterier och en regnbåge.

Michael Elowitz, professor i biologi och biologisk teknik vid California Institute of Technology, och hans kollegor ville testa variation hos E. coli-celler som växte i samma miljö. De satte in två kopior av en gen i bakterierna: en som kodade för ett cyan fluorescerande protein och en annan som kodade för ett gult. Eftersom de hade konstruerat generna så att de reglerades identiskt förväntade de sig att cellerna skulle producera båda proteinerna i lika stora mängder. I stället, inom varje enskild cell, uttrycktes de cyanfärgade och gula generna ojämnt – och dessa proportioner skiljde sig mycket från cell till cell. Vissa celler lyste mer gult än cyan, andra mer cyan än gult. Ytterligare andra var mer av en blandning, och allt detta skedde till synes slumpmässigt. Denna regnbåge, insåg Elowitz och hans team, var ett tydligt resultat av det brus som är inneboende i genuttrycksprocessen. De såg äntligen effekterna av ”molekylärt jitter”

Sedan dess har forskare studerat den roll som det inneboende bruset spelar i andra cellulära processer. Det kan ses i hur en population av identiska celler ger upphov till olika specialiserade ättlingar; i hur vissa, men inte alla i en grupp av celler kan reagera på en viss signal; i hur en vävnad under utveckling blir mönstrad. Celler använder sig av brus för att skapa nödvändig variabilitet i sitt beteende och biologiska tillstånd.

Men det är på cellnivå. Det kan vara så att dessa skillnader tenderar att jämna ut sig över många sådana celler. Att ta reda på om buller faktiskt skulle kunna påverka organismer på högre nivå – och fortplanta sig genom utvecklingen för att påverka hur ett vuxet djur skulle bli – var därför en annan historia.

För det första skulle det kräva mycket specifika experimentella system som består av många individer med samma genom, noggrant uppfödda under samma miljöförhållanden. I viss utsträckning har detta gjorts. Forskare har funnit att inavlade, genetiskt identiska flugor i laboratoriet uppvisar unika preferenser när de svarar på en navigeringsuppgift. Klonfiskar uppvisar beteenden som är lika olika som de som observeras hos genetiskt varierande fiskar, samtidigt som förändring av fiskarnas miljö har en försumbar effekt.

Men dessa resultat bevisar fortfarande inte att buller under utvecklingshändelser orsakade dessa specifika skillnader. ”Oron när man säger att det finns en viss variation i anatomi eller fysiologi”, säger Mitchell, ”är att folk alltid kan komma tillbaka och säga: ’Det är bara en miljöfaktor som du inte kände till.'”

Men en ny studie, som publicerats på preprint-sajten biorxiv.org i december, har tagit denna typ av arbete till nivån för genuttryck – och i ett däggdjur, inte minst.

Håll den niobandade bältdjuret.

De fyrlingar som inte är

Niobandade bältdjur har en ovanlig fortplantningsstrategi. De får alltid kullar med fyrlingar, fyra genetiskt identiska bältedjursungar. Jesse Gillis, en beräkningsbiolog vid Cold Spring Harbor Laboratory i New York, och hans kollegor bestämde sig för att dra nytta av detta födelsemönster för att avgöra när slumpmässigt utvecklingsbrus börjar leda till skillnader i de vuxna djurens fysiologi och beteende.

”Det är ett fantastiskt system att experimentellt arbeta med”, säger Mitchell, som inte var inblandad i arbetet. ”Jag menar, vem gillar inte bältdjur?”

Gillis team fann snart att variation i genuttryck uppträder mycket, mycket tidigt.

De fick blodprover från fem bältdjurskullar, sekvenserade deras RNA tre olika gånger under året efter djurens födelse och analyserade dessa data för unika genuttrycksmönster. De började med att titta på en klassisk slumpmässig process inom genetiken: inaktiveringen av en X-kromosom.

I bältdjur, människor och de flesta andra däggdjur har honorna två X-kromosomer i var och en av sina celler. För att hålla uttrycksnivåerna för X-bundna gener konsekventa mellan hanar och honor, stängs den ena X-kromosomen helt av någon gång under utvecklingen. Huruvida en cell väljer att stänga av den X-kromosom som ärvts från organismens mor eller den som ärvts från dess far sker helt och hållet av en slump – som att slå ett mynt, enligt Gillis. Ändå fastställer detta myntkast i sten vilken förälders X-länkade gener som kommer att uttryckas i alla cellens ättlingar.

Gillis analys visade att detta godtyckliga myntkast inträffade när bältedjursembryona bestod av endast 25 celler. Och eftersom den exakta kombinationen av 25 slumpmässiga X-val från moderns eller faderns sida var annorlunda i varje embryo, blev den en permanent ”identifierande signatur” för var och en av de genetiskt identiska medlemmarna i bältedjursbrödet.

Gruppen riktade sedan sin uppmärksamhet mot de 31 andra kromosomparen hos bältedjuren. Ingen av kromosomerna i dessa par blir lika fullständigt tystad som den inaktiverade X-kromosomen, men det uppstår skillnader i hur aktiv varje kromosom är och hur mycket varje kromosom bidrar till det totala genuttrycket. Forskarna använde en maskininlärningsmetod för att analysera när dessa unika förhållanden blev fasta i cellinjerna. De uppskattade att det skedde när embryona bara hade ett par hundra celler.

I ett bältdjur som så småningom kommer att ha en biljon eller så av celler, ”sker dessa händelser så tidigt”, säger Kate Laskowski, beteendeekolog vid University of California, Davis, som gör relaterat arbete med klonala fiskar men som inte deltog i studien. ”De har möjlighet att ha riktigt starka effekter nedströms. En cell tidigt i din utveckling kommer att vara stamfader för hundratals, tusentals, miljoner celler senare i livet.”

Det är som krusningar som expanderar i vatten: Kasta en sten i en sjö, och dess vikt och form, tillsammans med den kraft med vilken den kastas, kommer att få den att generera en annan krusning än vad en annan sten skulle göra. Den förutsägbara fysiken för hur en krusning sprider sig låter effekterna av dessa unika utgångsförhållanden sprida sig vidare. På samma sätt förstärks det slumpmässiga bruset som skapar ett något annorlunda mönster av genuttryck i varje bältdjurembryo genom sitt inflytande på andra utvecklingsprocesser och ger så småningom skillnader i egenskaper.

För att fastställa vad dessa nedströms effekter kan vara undersökte forskarna skillnaderna i det totala genuttrycket. De fann att bältdjurssyskon varierade i uttrycket av cirka 500 till 700 av sina 20 000 gener (även om forskarna också räknar med att deras analys missade vissa fluktuationer, så detta kan vara en underskattning). Dessutom var det inte alltid samma 700 gener eller så som påverkades i varje kull, vilket ger ytterligare bevis för att slumpen dikterade variationen.

Dessa skillnader i genuttryck verkade i sin tur korrelera med skillnader i en rad olika egenskaper, särskilt de som är förknippade med immun- och hormonella processer. Mest uppenbart är att i en kull var några av generna förknippade med muskeltillväxt – och dessa syskon varierade faktiskt avsevärt i storlek. Även om ytterligare arbete behövs för att befästa dessa samband, uppskattade Gillis och hans kollegor att ungefär 10 % av den totala variation som de observerade bland bältdjur kunde tillskrivas utvecklingsbrus.

”Tanken att din fenotyp och hur du beter dig kan vara ett resultat av till synes slumpmässiga händelser när du är en boll av ett par dussin till ett par hundra celler”, säger Laskowski, ”för mig är det fascinerande.”

Fluktuationer som påverkar beteendet

Dessa slumpmässiga händelser tycks spela störst roll när det gäller beteende. Hos människor skiljer sig till exempel enäggstvillingar mycket mer åt när det gäller psykologiska egenskaper än vad de gör fysiskt. Och eftersom psykologiska skillnader tros återspegla hur hjärnan är uppbyggd är det i hjärnan som forskarna börjar titta.

Under utvecklingen är hjärnan särskilt högljudd: Förbindelserna mellan neuroner växer ständigt och beskärs, ofta på ett slumpmässigt sätt. Jonkanaler öppnas spontant och synapser släpper spontant ut neurotransmittorer utan någon uppenbar anledning.

Man har hittat gener som styr utvecklingsvariationen i anatomiska och beteendemässiga egenskaper. Genom att förändra dessa gener har forskare kunnat testa sina hypoteser om den roll som buller spelar när det gäller att diktera hjärnans bildning och beteende. Det mest lockande exemplet på detta kom tidigare denna månad, i en artikel som Hassan och hans kollegor publicerade i Science.