Az ugráló gének

Az ember meghallgatja az iskolában a törzsfejlődésről mindazt, amit a tanárok mondanak, elolvas egy-két könyvet is a témáról, és megnyugszik: ezt is tudom, ezt is értem. Aztán a kezébe kerül valamely folyóiratban egy cikk, amely új eredményeket, vagy már ismert tények újfajta megvilágítását közli. Ekkor kiderül, hogy a dolog nem egészen úgy van, mint hittük, nem olyan mechanikus. Sokkal érdekesebb, mint azt az iskolapadban gondoltuk.Az élő természet lenyígözi a szemlélőt az élőlények viselkedésének bonyolult és célszerí megnyilvánulásaival. Egy Dél-Amerikában honos takácsmadárféle például nemcsak olyan mívészi módon építi meg fészkét, hogy bármelyik építész megirigyelhetné érte, hanem még belső díszvilágításról is gondoskodik: a fészek belsejében egy sor kandelábert helyez el: agyagcsomócskákat, amelyek belsejébe a szentjánosbogárhoz hasonló világító bogarakat zár be.Az édesvízi és tengeri vízgyíjtők lakója, a mikrosztoma neví féreg hidrákkal táplálkozik. Bekebelezése után az egész zsákmányt megemészti a hidra testét borító félelmetes fegyverek, a csalánsejtek kivételével. A mikrosztoma emésztőrendszere ezeket a sejteket nemcsak hogy megóvja, de különleges sejtelemek segítségével saját testének felületére szállítja. S e pillanattól kezdve a veszélyes védelmi fegyver már új gazdáját szolgálja éppoly megbízhatóan, mint tette ezt a régivel.

A rejtett élet kora
Elképzelhető-e, hogy ezek a bonyolult, nagyon sok láncszemből álló viselkedési reakciók, amelyek mindegyike csak az őt megelőzővel együtt alkot értelmes egészet, csupán az apró, alig észrevehető viselkedésbeli változások felhalmozódásával keletkeznek? Hajszálról hajszálra, ahogyan azt az evolúció klasszikus elmélete tanítja? Ez már csak azért sem hihető, mert mind a mai napig nem sikerült kellően bizonyítani a klasszikus elmélet e vonatkozását.Az élő anyag evolúcióját vizsgáló kutatóknak nincs arra lehetőségük, hogy közvetlenül kísérleti úton ellenőrizzék feltevéseiket, ahogyan az egzakt természettudományokban az általában szokás. &Iacutegy kénytelenek közvetett módszerekhez folyamodni. Különösen a paleontológiai kutatások váltak be, vagyis az élet maradványainak felkutatása és összehasonlítása a különböző földtörténeti korokból származó rétegekben.

Természetesen számot kell vetnünk azzal a körülménnyel, hogy a paleontológiai módszerek korántsem tökéletesek. Mivel bolygónk egész felületén folynak a kutatások, mégis módunkban áll többé-kevésbé pontosan rekonstruálni azoknak az eseményeknek az általános képét, amelyek évmilliók során mentek végbe. Az élet minden bizonnyal több mint 3,5 milliárd évvel ezelőtt kezdődött a Földön, vagyis akkoriban, amikor bolygónk még éppen csak hogy kihílt (Földünk életkora körülbelül 4,5 milliárd év). Az mindenesetre tény, hogy a dél-afrikai Szváziföld körülbelül 3,2 milliárd éves üledékes hegyi kőzeteiben széntartalmú mikroképződményeket találtak, amelyekről azt tartják, hogy igen ősi szervezetek maradványai.

A földtörténeti őskor középső szakaszában az élőlények fokozatosan elkezdték meghódítani és benépesíteni a Földet. Ezek még sejtmag nélküli lények voltak, úgynevezett prokarioták. Körülbelül egymilliárd éve annak, hogy az első sejtekben kialakult a jellegzetes sejtmag, vagyis létrejöttek az eukarioták, majd 600–650 millió évvel ezelőtt megjelentek az első többsejtí szervezetek.A földi élet megjelenésétől a többsejtíek kialakulásáig terjedő időszak a szerves világ történetének mintegy négyötödét teszi ki. Ez az egész élővilág történetének legrégebbi szakasza, a rejtett élet – a kriptozoikum – kora.A többsejtí lények kialakulása a második nagy korszaknak, a tulajdonképpeni élet korának kezdetét jelentette. Az evolúció e korszakának tanulmányozása azt tanúsítja, hogy szinte pillanatok alatt, mondhatni ugrásszeríen, rendkívül nagyszámú állatfaj keletkezett. Ezek többsége aztán ugyanilyen gyorsan el is tínt a föld színéről, átadva helyét teljesen más típusfajoknak, amelyek a korábbitól élesen elütő állatvilágot alkottak.

Időnként kipusztulnak…
A változatos és egymásra egyáltalán nem hasonlító többsejtí szervezetek keletkezésének láttán az embernek az a benyomása támad, mintha a semmiből röpke néhány millió év alatt – ami a geológia szempontjából szinte csak egy pillanat – jött volna létre egy-egy gazdag fauna. Ezek a lények benépesítették egész bolygónkon a meleg és sekély vizí tengerek part menti övezeteit. A legkorábbi faunában már voltak primitív tömlős állatok, tüskésbőríek, különböző féregszerí lények, amelyek hátrahagyták tevékenységük nyomait (járatokat, üregeket) sőt, talán ízeltlábúak is lehettek már. Vagyis egyszerre többféle gerinctelen lény jelent meg, szinte egy időben!

A földtörténet következő korszakának kezdetén, a paleozoikumban a kipusztult fauna és flóra helyét földtörténeti szempontból szemlélve megint csak egyetlen pillanat alatt elfoglalta a kambriumkor élővilága. E szakasz tengeri lényeit az jellemezte, hogy képesek voltak szilárd vázat építeni maguknak. A kambriumban már a tengerfenék élővilágának minden főbb csoportja képviseltette magát: a legegyszeríbb szivacsok, tömlős állatok, tüskésbőríek, ízeltlábúak, kagylósférgek, puhatestíek… Ez az állatvilág élt és fejlődött, majd körülbelül kétszázmillió évvel ezelőtt csaknem teljesen kipusztult. Egyelőre ismeretlen körülmények folytán bekövetkezett valamilyen katasztrófa, amely hatalmas temetővé változtatta egész bolygónkat, egyszerre kipusztult a tengeri gerinctelenek csaknem minden főbb osztálya, továbbá néhány rovar- és gerinces faj is.

Bekövetkezett a soron következő „revolúció az evolúcióban”, a kihalt lények helyét elfoglalta egy új fauna, a Földön feltíntek a gigászi méretí őshüllők, a dinoszauruszok, ezek a súlyos, nehézkes testí, kicsiny agyvelejí, nem túlságosan vonzó külsejí lények. Meghódították a szárazföldet, a tengereket és a levegőt. &Aacutem nekik is osztozniuk kellett elődeik sorsában, és a mezozoikum végén váratlanul eltíntek az élet színpadáról. Megjelentek az új főszereplők, az emlősök, amelyek világa egyelőre még tart – a mi szerencsénkre.Végül is mi történik a Földön? Van-e egyáltalán fejlődés, és ha igen, hogyan ment, hogyan megy végbe? Az utóbbi években egy amerikai paleontológus, S. J. Gould állt elő egy meglehetősen érdekes, lehetséges válasszal. Azt állítja, hogy az evolúció nem egyéb, mint szakaszos egyensúlyi állapotok sorozata.Föltevése szerint az egyes fajok fejlődési folyamata két szakaszból áll. Az első a viszonylagos nyugalomé, amely több millió évig tarthat, ezalatt a faj stabil állapotban van. A második szakaszban heves genetikai változások mennek végbe, amelyek a faj átalakulásához vezetnek, ilyenkor néhány évezred alatt a faj szétesik számos új fajra, amelyek belőle származnak.

A folyamat katasztrófára emlékeztet. A paleontológusok tehát evolúciós vizsgálataik során állandóan szembetalálják magukat két különböző állatvilág váratlan, szinte azonnali helycseréjével. Minden igyekezet ellenére sem sikerült az ilyen korszakokban átmeneti formákra bukkanni, ezt még az evolúció elkötelezett hívei is kénytelenek voltak elismerni: vagyis valószíníleg azért nem találtak átmeneti formákat, mert azok bizonyára soha nem is léteztek. Ha viszont ez így van, akkor fel kell tételeznünk az ugrásszerí (úgynevezett szaltációs) evolúció lehetőségét.Az ilyen ugrások konkrét genetikai mechanizmusára vonatkozóan Richard Benedikt Goldschmidt genetikus és embriológus már az 1930-as években érdekes hipotézist fogalmazott meg.

Várakozó szörnyszülöttek
Elméletét ellenségesen fogadták, nem is vették komolyan, csak mostanában elevenítették föl elgondolásait, amelyek lényege a következő.Az egyedfejlődés a szervezetet alkotó különféle sejtek bonyolult együttmíködésének eredménye. Az egyes génekben végbemenő változások (mutációk) viszonylag kis hatást váltanak ki. Másként fogalmazva: még a szokásos mutációk fölhalmozódása esetében sem kerül ki az egyed a faj kötelékéből.&Uacutej faj megjelenéséhez valamilyen különleges mutációra van szükség, olyanra, amely az egész egyed míködését átalakítja, nem egyes jegyeket, hanem jegyek egész kölcsönhatásrendszerét változtatja meg. Az ilyen makromutáció alapján kifejlődő szervezet fajtársaival összehasonlítva torzszülöttnek látszik. &Aacutem egyszer bekövetkezik a soros geológiai katasztrófa – a kozmikus sugárzás váratlan fokozódása, a tengerek és a kontinensek elmozdulása, özönvíz, esetleg a klimatikus viszonyok hirtelen változása. És ekkor néhány szörnyszülött szerencsésebbnek bizonyul „normális" testvéreinél, jobban tud alkalmazkodni az új létfeltételekhez.

A „normális” szervezetek lassan kihalnak, a szerencsés „torzszülöttek” pedig elfoglalják a felszabadult életteret, és attól kezdve ők jelentik a normálist.A kutatók kedvenc kísérleti állatkájának, az ecetlégynek vannak olyan mutációi, amelyeknél egyes testrészek átalakulnak. A tor potrohhá, a fejen levő csápok lábbá változnak. Az egyik mutánsnak például egy pár helyett két pár szárnya van. Ebben az esetben szegény muslica tehát a szitakötőre hasonlít! Ecetlégyszemszögből nézve a dolgot, az ilyen példány nyilvánvalóan torzszülött. Más szemszögből viszont azt jelenti, hogy a mutáció elvben létrehozhat olyan jegyeket, amelyek már egy másik faj felé mutatnak.

A  szövetérés ideje
Már régen fölmerült a gondolat, amely szerint bizonyos mutációk képesek alapvetően megváltoztatni az egyedfejlődést. O. H. Schindewolfnak, korunk legnagyobb paleontológusának képletes és érzékletes szavait használva: az őshüllők tojásából kirepül az első madár.Végül is milyen események lehetnek azok, amelyek képesek ugrásszeríen átalakítani az egyed alakját és míködését? Nyilván főleg azok, amelyek meghatározzák az embrió egyes részeinek fejlődési ütemét. Az egyedfejlődés a szövetrendszerek páronkénti kölcsönös együttmíködésének láncolatát jelenti. Az ilyen párokban az egyik szövet specializálódásra serkenti a másikat. Az együttmíködő szövetek érése időben szigorúan összehangolt rendben folyik, olyanformán, hogy amikor az első készen áll a második serkentésére, a másodiknak is készen kell állnia míködése megkezdésére.

Szovjet tudósok kísérleteket végeztek axolotl-mutánsokon. (Az axolotl Dél-Amerikában élő kétéltí, a mi tarajos gőténk rokona.) Bebizonyosodott, hogy amennyiben a mutáció az együttmíködő szövetek érési idejét bontja meg, zavarok keletkeznek a fejlődésben. Például az állatnak nincs bőrszíneződése, de néha még sokkal súlyosabb következmények is lehetségesek. Az egereknél tapasztaltak olyan mutációt, amely a vesét alkotó sejtek érési idejét változtatja meg. Ilyenkor annyira megbomlik a sejtek együttmíködése, hogy a nyomorék állat elpusztul.

A fejlődés zavarát minden ilyen esetben a genetikai anyag bizonyos részének, az úgynevezett DNS-szatellitának az elvesztése kíséri. A genetikai anyagnak jelenlegi tudásunk szerint két része van: az egyik jelentéssel bír, ez kódolja a fehérjéket, szerkezetileg igen sok információt hordoz. A másik a szatellita, amely nem hordoz jelentést – legalábbis egyelőre nem tudunk róla –, szerkezete is egyszeríbb. Első pillantásra fölöslegesnek látszik, rendeltetését egyelőre csak találgathatjuk. A DNS-szatelliták blokkokat alkotnak, amelyeket heterokromatinnak nevezünk. A heterokromatin az információt hordozó DNS-részek által előírt anyagok megjelenési idejét szabályozza. Amennyiben a heterokromatinnak evolúciós szerepe van, úgy a törzsfejlődés különböző fokain álló lényeknek különbözniük kell egymástól heterokromatinjuk mennyiségét tekintve.

Elveszített tulajdonságok
De miért változik meg a DNS-szatellita tartalma és eloszlása? Itt az ideje, hogy szót ejtsünk az úgynevezett ugráló génekről, amelyek fölfedezéséért a nyolcvanas éveit taposó amerikai Barbara McClintock Nobel-díjat kapott. Felismerései még az ötvenes évek elejére nyúlnak vissza, amikor a kukorica genetikájával foglalkozott. Ezek a meglepő, vírusra emlékeztető genetikai elemek vándorolni tudnak a DNS-molekulán, beépülhetnek annak különböző szakaszaiba, segítve vagy zavarva az örökítőanyag míködését. Egyesülhetnek a DNS-szatellita blokkjával, darabokat ragadhatnak ki, amelyeket magukkal hurcolhatnak új, váratlan helyekre.

Az is előfordulhat, hogy az ugráló gének egyik fajtól a másikig ugrálva ragadnak magukkal különböző fehérjék szintéziséért felelős DNS-egységeket. A vírushoz hasonló „ugráló gének” közremíködésével a DNS-blokkok új kombinációi jöhetnek létre, s eközben elvész a heterokromatin egy-egy része. Minden létrejött új kombináció egyedülálló, ez biztosítja azt, hogy az evolúciós folyamatot nem lehet visszafordítani.Az elveszett DNS-darabkát ugyanis nem lehet visszaszerezni, így bizonyos tulajdonságok egyes fajtáknál vagy egyedeknél megszínnek, és máshol jelennek meg.Ezek után megpróbálhatjuk elképzelni, mi szolgált a cikkünk elején leírt különös viselkedési minták alapjául. Nyilvánvalóan a szaltációk, az ugrások, amelyek alaposan megváltoztatják a szervezet egyedi fejlődésének programját, és ezzel a szervezetet alkalmassá teszik a teljesen új életmódra.

  • Vak muslicák
    Korábban az volt az általános vélemény, hogy a teljes sötétben élő állatok fokozatosan vakulnak meg, számtalan apró mutáció során elcsökevényesedik a szemük, tehát lépésről lépésre épül le látószervük, amíg végül gyakorlatilag teljesen eltínik. Hogyan jön létre valójában a szem nélküli állapot? A muslicának ismeretes egy olyan mutációja, amely egy lépésben „nyomoréksághoz" vezet: vagy ki sem fejlődik a szem, vagy csupán aprócska pontként létezik. Az ilyen muslica nem tehet mást, mint hogy megfelelő lakhelyet keres magának, ahol több-kevesebb nyugalommal szem nélkül eléldegélhet. Nyilvánvaló, hogy sötét helyet választ, ahol a látás hiánya nem olyan nagy csapás.

  • Orkánszárnyak
    Azokon a szigeteken, ahol gyakran dühöng orkán, főleg szárny nélküli rovarok élnek. Mi lehet a jelenség magyarázata? A rovarnépességben általában különböző szárnyméretí egyedek találhatók. Azokat, amelyeknek nagy a szárnya, elsodorja az orkán, a kis szárnnyal rendelkezők viszont megmaradnak a helyükön. A külső körülményekkel összhangban fokozatosan és nagyon lassan fölhalmozódnak az olyan aprócska mutációk, amelyek végül azt eredményezik, hogy a szárnyak az ilyen helyzetben élő rovaroknál ki sem fejlődnek. Persze a jelenséget egészen másképp, makromutációval is magyarázhatjuk.

  • Mi újság ’84 óta?
    Génvándorlás egyik fajról a másikra

    Megkérdeztünk egy szakértőt, hogy milyen változások történtek, milyen új kutatási eredmények születtek az ugráló gének vizsgálatában:
    – Egy faj kialakulása sokkal bonyolultabb és árnyaltabb, mint ahogy a cikkben szerepel – mondja dr. Jankovics Ferenc, az MTA Szegedi Biológiai Kutató Központ Genetika Intézetének tudományos munkatársa.
    – Nem egyszeríen arról van szó, hogy születik egy torzszülött, hiszen mutáns könnyen jön létre, és nem biztos, hogy új fajt fog létrehozni.Mutációk gyakran előfordulnak, a bázispárok megkettőzésekor a második szál átírásánál mindig történnek hibák, de a spontán mutációk felét az ugráló gének, vagyis transzpozonok okozzák. Ez általában úgy történik, hogy az ugráló gén elrontja a másik gént, de más mechanizmusok is léteznek. A transzpozon okozhatja a gén duplikálódását vagy teljes kiesését is. A legegyszeríbb transzpozon egy fehérjét kódol, amelynek funkciója az ugrás kivitelezése, vagyis hogy az egyik gént áttegye a másikra.Mivel a látható mutáció spontán esetben nagyon ritka, a gének vizsgálatában nagy szerepe van a mesterségesen előidézett mutációnak. Ilyenkor célzottan mutagéneket használnak, amelyek lehetnek vegyi anyagok vagy röntgensugárzás, mert ezek a DNS-re hatva felszaporítják a mutációt, és lehetnek ugráló gének is. Ezeket mesterségesen megváltoztatják, s így elérik, hogy akkor ugorjanak, amikor a kutatók szeretnék, de a beépülés helye véletlen. Azt is el lehet érni, hogy a transzpozon csak egyszer ugorjon, amely azután ott marad az elrontott génben, megjelölve azt. A mesterségesen előidézett mutáció segítségével meghatározható, hogy milyen funkció hiányzik a vizsgált állatban, tehát az elrontott gén mely funkció kialakulásáért felelős. Mi például az egyik vizsgálatunk során steril nőstényeket hoztunk létre, s azt vizsgáltuk, hogy a mutáció, amit okozunk, milyen gén míködését rontja el. 

    Míködik ez fordítva is?
    – Igen, az a reverz genetika. A genomok feltérképezése régi álom volt, és körülbelül egy évtizede meg is valósult, s ma már egy egész tudományág foglalkozik vele, a genomika. Minden kedvenc kísérleti állatunkkal, a muslicával kezdődött, annak is egy fajával, amellyel körülbelül száz éve dolgoznak a kutatók. Ez a Drosophila melanogaster, az első megszekvenált genomú magasabb rendí élőlény. Miután meghatározták a genomját és utána még tizenkét másik muslicafajét is, lehetőség nyílt az apró különbségekért felelős gének vizsgálatára. Később fejlettebb szervezetek genomtérképét is sikerült elkészíteni és az emberét is, sőt, ma már meg tudják határozni például egy liter tengervízben az összes élőlény bázissorrendjét, de ugyanígy a talajból vett mintákat is tudják vizsgálni. A jövőben lehetőség nyílhat arra, hogy bárki megcsináltathassa saját genomtérképét. Ez persze leginkább a genetikai betegségek kiszírésére lehet alkalmas. A reverz genetika a genomok ismeretében úgy míködik, hogy tudjuk, hol helyezkedik el az adott gén, amelyet célzottan elrontunk, és megnézzük, ez milyen változást okoz.

    Mit tudunk ma a szatellitákról és milyen kapcsolatban vannak az ugráló génekkel?
    – Az ugráló gének között vannak replikatívak és nem replikatívak. Az előbbiek megtöbbszöröződnek, és úgy ugrálnak, az utóbbiak egyszeríen átmennek egyik helyről a másikra. A transzpozonok jó része inaktív, hiszen, főként a replikatív fajták esetében, ha míködnének, elözönlenék az egész genomot. A szervezet ezért védekezik ellenük. És itt jöhetnek a képbe a szatelliták. Róluk ma sem tudunk sokat, ahogy a cikk is írja, olyan genetikai anyagok, repetitív szekvenciák, amelyek nem hordoznak jelentést, és amelyek rendeltetését ma sem tudjuk. Egy kísérlet során eltávolították a repetitív szekvencia jó részét, de semmilyen változás, legalábbis látható változás nem történt. Nagyon valószíní viszont, hogy nem véletlenül maradtak fenn. A genomnak ugyanis energiába kerül fenntartani ezeket, és ha fölöslegesek lennének, már régen kiszelektálódtak volna. És hogy mi közük a transzpozonokhoz? Ha az ugráló gének le vannak nyomva, hiszen a szervezet védekezik ellenük, mutálódhatnak. Ott maradhatnak a genomban míködésképtelenül, és ezek lehetnek a szatelliták.

    Milyen hasznuk van az ugráló géneknek?
    – Azt is csak találgatjuk, mire jók a transzpozonok. Egy hipotézis szerint pusztán önző gének, amelyeknek semmi hasznuk nincs, csupán kialakultak, míködnek, és fenntartják saját magukat. Egy másik elmélet szerint hasznosak a szervezet számára például azáltal, hogy a mutációk generálásával fokozzák a genetikai variabilitást, és ezzel elősegítik, hogy a faj képes legyen a megváltozott környezeti feltételekhez alkalmazkodni. Másrészt a szerzett immunitás kialakulásában is szerepet játszhattak, s az emlősök őseiben valamikor segíthettek az antigén-felismerő rendszer, vagyis az immunrendszer létrehozásában.

    Milyen újabb eredmények születtek az ugráló gének kutatásában?
    – Miután a XX. század közepén Amerikában felfedezték a transzpozonokat a kukoricában, állatokban is megtalálták, például a muslicában. Későbbi vizsgálatok során rájöttek, hogy van egy olyan muslicatranszpozon, bizonyos P-elem, amely a régi labortörzsekből hiányzik, és csakis az újakban található meg. Felfedezték, hogy ezt a gént a Drosophila melanogaster valamikor a ’40-es, ’50-es években gyíjtötte be, és később elterjedt a faj összes egyedében. Az, hogyan jutott hozzá ez a muslica a P-elemhez, olyan evolúciós esemény volt, amelyet nem tudtak megmagyarázni. Másik muslicafajt vizsgálva viszont kiderült, hogy abban már régóta benne van a P-elem, és belőle kerülhetett át a kutatók kedvencébe. Felfedezték tehát, hogy létezik horizontális géntranszfer, vagyis nemcsak az utódokba lehet átörökíteni – ez a vertikális – hanem a fajok között is jönnek-mennek a gének. Valószíníleg egy másik élőlény, parazita (például atka) lehet a közvetítő, ami átviheti a géneket egyik helyről a másikra. A kutatók ma már mesterségesen idéznek elő géntranszfert, és így a laborban szinte minden élőlénybe át lehet tenni egy másik gént. Nemrég például egy medúza génjének áthelyezésével hoztak létre fluoreszkáló állatokat. Sőt, sikerült mesterséges transzpozont is előállítani. Halak inaktív ugráló génjeit vizsgálva, összehasonlítva laboratóriumban kialakítottak egy olyan transzpozont, amely a már inaktiválódott transzpozonok közös őse lehetett. Ez Csipkerózsika. A mesterséges transzpozon olyan jól míködik, hogy körülbelül tíz éve ezt használják mutagenezisekre, mert célzottabb eredményt tudnak elérni vele, és mivel a sejtek már nem emlékeznek rá, nem ismerik fel, nem tudnak védekezni ellene. § Sz. E.