Az élet birodalma és az egyszázaléknyi ember kódja

Egy vakmerő, fiatal amerikai, James Watson (1928–), aki 1951-ben egy posztdoktori ösztöndíjjal bukkant fel Cambridge-ben, elszántan a DNS szerkezetével akart foglalkozni, és még életében nem hallott arról, mit jelent Angliában, úriemberek között az adott szó becsülete – vagy csak ügyet sem vetett ilyen apróságokra.Watson ugyanabban a szobában kapott helyet, ahol egy idősebb angol doktorandusz hallgató, Francis Crick (1916–2002) is dolgozott. Hamar kiderült, hogy Crick korábbi ismeretei tökéletesen kiegészítik azt, amit viszont Watson tudott, ezért Watson hamar megnyerte őt is az ügynek. Crick fizikusként kezdte a pályáját, majd a háború idején az admiralitás részére bányákban hajtott végre katonai feladatokat.

Kora sok fizikusához hasonlóan azonban ő is kiábrándult a fizikából, amikor látta, miként alkalmazzák háborús célokra a tudomány eredményeit.

Ugyancsak sok kortársára hasonlított abban is, hogy roppant mély benyomást tett rá Erwin Schrödinger What is Life? (Mi az élet?) címí kis könyvecskéje, amely 1944-ben jelent meg, és amelyben Schrödinger egy fizikus szemével tárgyalja azt a problémát, amelyet ma a genetikai kód néven ismerünk. Bár amikor Schrödinger a könyvet írta, még nem tudott arról, hogy a kromoszómák DNS-ből épülnek fel, mégis teljes általánosságban kifejtette, hogy „az élő sejt legalapvetőbb részét – a kromoszómaszálat – joggal nevezhetjük aperiodikus kristálynak”. Ezzel éles határvonalat húzott az információ ismétlődésének két típusa közé. A közönséges kristályokban, például a konyhasóban egy egyszerí alapminta vég nélküli ismétlődését látjuk. Ezzel szemben léteznek olyan szerkezetek, „mondjuk egy Raffaello-falikárpit, amely nem a minta unalmas ismétlődését mutatja, hanem valamilyen bonyolult, összefüggő és jelentést hordozó tervet”, bár mindössze néhány, különbözőképpen elrendezett színből épül fel.

Az információ tárolását elemezhetjük az ábécé betíi összefüggésében is. Az információt egyaránt kifejezhetjük a betíkből felépített szavakkal, vagy például Morse-jelekkel, vagyis az ábécé betíit jelölő, pont-vonal kombinációkkal. Egy aperiodikus kristályban rendkívül sokféleképpen tárolható az információ. Schrödinger például megállapította, hogy egy, a Morse-ábécéhez hasonló, de nem két, hanem három jellel dolgozó kódrendszerben, a jeleket tízes csoportokba rendezve „88 572 különböző ’betí’ képezhető”. Ezzel a szellemi háttérrel felvértezve érkezett Crick a Cavendish Laboratórium MRC részlegébe, 1949-ben, 33 éves korában, kutató egyetemistaként. Disszertációja elkészítéséhez a polipeptidek és fehérjék röntgenvizsgálatát végezte (annak rendje és módja szerint 1953-ban meg is szerezte a doktori címet); amikor azonban minden figyelmét doktori értekezésének elkészítésére kellett volna fordítania, mindig eszébe jutott nem hivatalos munkája, amelyet csak sutyiban csinált, Watson nógatására.

Ez a munka valóban teljes egészében nem hivatalos volt, Bragg kétszer is figyelmeztette Cricket, hogy hagyja a DNS vizsgálatát a King’s College csapatára, Crick mindkétszer elengedte a füle mellett főnöke szavait. A Cavendish vezetője csak akkor adta formálisan is áldását a DNS szerkezetének feltörését célzó kutatásokra, amikor később fennállni látszott annak a veszélye, hogy Linus Pauling megelőzheti a briteket. Bár az elméleti kutatás és a modellkészítés a munka nagyon fontos részét képezte, minden a röntgendiffrakciós felvételeken múlott. A DNS-ről Astbury 1938-ban készítette az első ilyen fényképfelvételeket. Ezeket nem is sikerült felülmúlni (ezúttal is nem kis mértékben a háború okozta ínséges viszonyok miatt) egészen 1950-ig, amikor Wilkins csoportja (elsősorban Rosalind Franklin, egy Raymond Gosling neví kutató egyetemista segítségével) hozzáfogott ezekhez a kutatásokhoz. Valójában Paulingnak a DNS szerkezetére vonatkozó kutatásait jócskán megnehezítette, hogy csak Astbury régi adatai álltak a rendelkezésére. Watson felcsipegetett néhány adatot Franklin King’s College-ban tartott előadásából, amelyeket azonban nem igazán értett, a Cavendishben dolgozó páros azonban ezekre építve próbált meg valamilyen modellel előrukkolni. A modellben szerepeltek egymás köré felcsavarodó szálak, meg oldalt kiálló nukleotidbázisok (A, C, G és T). A modellt nagy büszkén bemutatták Wilkinsnek, Franklinnek és azok két további, londoni kollégájának, akiket kifejezetten erre az előadásra hívtak meg Cambridge-be.

A modell olyan kínosan rossz volt, és a kiváltott megjegyzések olyan csípősek voltak, hogy még a szárnyalóan lelkesedő Watson is visszabújt egy kis időre az odújába, Crick pedig visszatért a fehérjéihez.

1952 nyarán azonban elbeszélgettek a matematikus John Griffith-szel (Frederick Griffith unokaöccsével, aki maga is nagyon érdeklődött a biokémia iránt, sőt kissé konyított is hozzá). Crick előhozakodott az ötletével, mely szerint a DNS-molekulában a nukleotidbázisok valamiképpen összeillenek, és így tartják egybe a molekulát. Griffith némi érdeklődést mutatott a dolog iránt, ezért a molekulák alakjából kiszámította, hogy az adenin és a timin képes egymáshoz illeszkedni, és ilyenkor két hidrogénhídkötés össze is tartja őket. Hasonlóképpen a guanin és a citozin is összeillenek, ráadásul ezeket három hidrogénhídkötés tartja együtt. Végül Griffith azt is kiszámította, hogy a négy bázis semmilyen más módon nem képes párokat alkotni.
    
Crick nem fogta fel azonnal ezeknek
a párképződéseknek a jelentőségét, sem a hidrogénhidak fontos szerepét, és mint aki frissen érkezett a biokémia területére, a Chargaff-szabályokat sem ismerte.

A véletlenek hihetetlenül szerencsés összejátszása folytán 1952 júliusában maga Chargaff látogatta meg a Cavendish Laboratóriumot, ahol bemutatták neki Cricket, és mivel hallott arról, hogy a fiatalembert érdekli a DNS, elmesélte neki, hogy a DNS-minták mindig azonos mennyiségí A és G, illetve C és T bázist tartalmaznak. Ez, Griffith számításainak eredményével kombinálva, egyértelmívé tette, hogy a DNS-nek egy pár hosszú molekulából kell állnia, amelyeket AG- és CT-hidak kötnek össze. Továbbá az is kiderült, hogy az így létrejövő CT-hidak hossza pontosan megegyezik az AG-hidak hosszával, ezért a két hosszú molekula közötti távolság mindvégig állandó.

A Cavendish csapata azonban hónapokon keresztül csak ide-oda tologatta ezt az ötletet, anélkül, hogy bármiféle komoly munkába fogtak volna vele kapcsolatban.

&#336ket egészen 1952 végéig csak az hozta lázba, hogy milyen hihetetlen lendülettel tudnak újabb és újabb modelleket előállítani (általában a modellek kivitelezését Watson végezte, viszont Crick adta hozzá a jobbnál jobb écákat). Decemberben azonban Peter Pauling, a Cavendish Laboratóriumban dolgozó végzős egyetemista, aki történetesen Linus Pauling fia volt, levelet kapott apjától, amelyben apja arról számolt be neki, hogy kidolgozta a DNS szerkezetét. A hír futótízként terjedt el a Watson–Crick-táborban, a levélben azonban Pauling nem tett említést a modell részleteiről. Peter Pauling azonban 1953 januárjában megkapta apja készülő cikkének a különlenyomatát, amelyet megmutatott Watsonnak és Cricknek. Az alapvető szerkezet egy hármas spirál volt, tehát három, DNS-ek láncolatából felépülő szál csavarodott fel egymás köré. Crick és Watson azonban a lehető legnagyobb megrökönyödéssel azt tapasztalta (ők ugyanis addigra már valamivel járatosabbak voltak a röntgendiffrakciós minták kiértékelésében), hogy Pauling egész egyszeríen hatalmas baklövést követett el, és modellje valószíníleg nem felel meg a Franklin által kapott adatoknak.
   
Néhány nappal később Watson magával vitte Pauling cikkének egyetlen példányát Londonba, hogy megmutassa Wilkinsnek, aki cserébe átadta Watsonnak Franklin legjobb felvételeinek másolatát, ami az illemszabályok durva megsértését jelentette, hiszen Franklin tudta nélkül történt. Ez a felvétel, amelyik kizárólag a spirális szerkezettel volt értelmezhető, valamint a Chargaff-szabályok és a John Griffith által kiszámított öszszefüggések vezették el végül is Watsont és Cricket 1953 március végére a kettős spirál híres modelljének megalkotásához, ahol a két, egymás köré felcsavarodó iker-molekulaszálat a középütt elhelyezkedő nukleotidbázisok közötti hidrogénhídkötések tartják össze. Pauling egyébként addigra már nem volt versenyben, minthogy ő nem jött rá, hogy a hármas spirál modellje hibás. Sőt, valójában Pauling nem is érzékelte, hogy bárkivel is versenyben lenne, hiszen fogalma sem volt róla, milyen közel járnak riválisai Angliában az áhított célhoz. A King’s College-ben azonban Franklin, aki nagyon hasonló nyomon járt, mint Crick és Watson (bár ő nem készített fizikai modelleket), már lényegében készen állt arra, hogy a kettős spirál általa kigondolt változatát publikálja, amikor megérkeztek a cambridge-i hírek. Franklin tulajdonképpen az előző napon már el is készítette a Nature számára leadandó cikkének első piszkozatát.

A Pauling kiforratlan cikke által kiváltott nagy igyekezet következtében Crick és Watson nemcsak Pauling, hanem Franklin orra elől is elhalászta a dicsőséget. Az eset közvetlen következménye az volt, hogy a Nature 1953. április 25-i számába három cikk jelent meg egymás mellett. Az elsőt Crick és Watson írta, ebben megadják modelljük részleteit, hangsúlyozzák modelljük és a Chargaff-szabályok közötti kapcsolatot, viszont jelentéktelennek tüntetik fel a röntgendiffrakciós bizonyítékok szerepét. A második cikket Wilkins és két kollégája, A. R. Stokes és H. R. Wilson írta, ebben bemutatják a röntgenadatokat, amelyekből először lehetett következtetni a DNS-molekula spirális szerkezetére. Végül a harmadik cikk szerzői, Franklin és Gosling bemutatták a perdöntő jelentőségí röntgendiffrakciós bizonyítékot, ami egyértelmíen a Watson és Crick által felvetett kettősspirál-modell mellett szól. Ez volt az a cikk (bár erről akkor senki nem tudott), amelyiken Franklin már akkor dolgozott, amikor megérkeztek a cambridge-i felfedezés hírei.

Volt azonban valami, amit senki sem tudhatott abban az időben, de még csak nem is sejthették, akik a három cikket együtt olvasták. Arról van szó, hogy Franklinék cikke nem egyszeríen csak Crick és Watson felfedezése melletti bizonyítékot jelentett, hanem egyértelmíen azt bizonyította, hogy Franklin és Gosling a többiektől függetlenül, önállóan felfedezték a DNS részletes szerkezetét, továbbá azt, hogy Crick és Watson felfedezése nagyobbrészt Franklin munkáján alapult. Csak sokkal később derült ki, milyen körülmények között jutottak a döntő jelentőségí röntgendiffrakciós adatok Cambridge-be, és milyen kulcsszerepet játszottak ezek a felvételek a modell elkészítésében.

Ugyanígy az is csak sokára derült ki, milyen komiszul elbánt Franklinnel saját, King’s-beli kollégája, valamint Watson és Crick. Maga Franklin örült, hogy 1953-ban megszabadulhatott a King’s-ből, mert a londoni Birkbeck College-ban sokkal kellemesebb környezetet talált. Soha nem érezte úgy, hogy igazságtalanok lettek volna vele. A teljes igazságot azonban soha nem tudhatta meg, mert 1958-ban, 37 éves korában rákban meghalt. Mindössze négy évvel később, 1962-ben Crick, Watson és Wilkins megosztva megkapták az orvosi és fiziológiai Nobel-díjat.

A genetikai kód
Az élet szempontjából a DNS kettős- spirál-szerkezetének két kulcsfontosságú jellemzője van. Az első az, hogy a bázisok bármely kombinációja – az A, C, G és T betíkkel leírt bármely üzenet – egyetlen DNS-szál mentén is kifejezhető. Az 1950-es években és az 1960-as évek elején számos kutató, többek között Crick (Watson soha többé nem hajtott végre semmi ahhoz foghatót, mint amit Crickkel együtt a kettős spirál felfedezése érdekében végeztek) és a párizsi Pasteur Intézet egyik kutatócsoportja tett arra irányuló erőfeszítéseket, hogy kimutassák, miszerint a genetikai kód valójában tripletek formájában van lejegyezve. A tripletek három bázisból álló csoportok, mint például CTA, vagy GGC, amelyek mindegyike a testet felépítő és míködtető fehérjék által használt, körülbelül húsz aminosav valamelyikének felel meg. Amikor a sejtben előállítódnak a fehérjék, a DNS spiráljának a megfelelő, az illető gént tartalmazó része lecsavarodik, és a hárombetís „kódok” megfelelő szakasza belemásolódik egy RNS-szálba (ami egyúttal azt a kérdést is felveti, hogy vajon a DNS vagy az RNS volt-e az élet első molekulája). Ez az úgynevezett „hírvivő RNS” csak abban különbözik a DNS-molekulától, hogy a bázisai között mindenütt uracilt találunk, ahol a DNS-ben timin van.

Ezt a hírvivő RNS-t használja azután a sejt mintaként a kódnak megfelelő aminosav-sorozat összeállításához, amelyek egymással összekapcsolódva a kívánt fehérjét állítják elő. Eközben a DNS már réges-rég ismét felcsavarodott, majd miután az RNS kellő mennyiségí fehérjét termelt, darabjaira hullik, és összetevőit a sejt újra felhasználja. Bár a folyamat elve már az 1960-as évek közepére világossá vált, azt még mind a mai napig nem sikerült tisztázni, honnan tudja a sejt, mikor és hol kell ezt a míveletet végrehajtania. A DNS kettős spiráljának másik fontos jellegzetessége, hogy a két szál a hozzájuk kapcsolódó bázisokat tekintve tükörképe egymásnak. Ahol az egyik szálon A található, ott a másik szálon T helyezkedik el, és viszont, illetve ugyanígy állnak egymással szemben a C és G bázisok. Ha tehát a két szálat lecsavarjuk, és a sejtben rendelkezésre álló kémiai egységekből új párt építünk mindkettő számára (amint az a sejt osztódása előtt meg is történik1), akkor a két új kettős spirál mindegyike pontosan ugyanazt a genetikai információt fogja hordozni, mint az eredeti DNS. Ugyanolyan sorrendben helyezkednek el a betíket jelentő bázisok, és az A, illetve T, valamint a C és G bázisok ugyanúgy mindig egymással szemben állnak.
 
Bár a mechanizmus részletei bonyolultak, kifinomultak, és nem is minden részletet értünk igazán, az már a felfedezés után azonnal nyilvánvalóvá vált, hogy ez a folyamat lehetőséget nyújt az evolúció míködésére.

A DNS másolódása közben, ami minden egyes sejtosztódáskor megtörténik, óhatatlanul előfordulnak hibák. A DNS bizonyos szakaszai kétszer másolódnak le, egyes szakaszok kimaradnak, vagy valamelyik bázist (a genetikai kód valamelyik „betíjét”) véletlenül egy másik helyettesíti. Ezek a másolási hibák nem különösebben érdekesek, amikor egyszeríen a sejtek növekedéséről van szó, hiszen semmi más nem történik, csak az egyik sejtben a DNS egy részlete kissé megváltozik (valószíníleg nem is éppen az a része, amelyet az illető sejt használ). Amikor azonban a szaporodás folyamatában szerepet játszó ivarsejtekben lépnek fel a másolási hibák, ahol az utódsejtekben a DNS mennyisége megfeleződik, akkor nemcsak több a hibalehetőség (az átkereszteződés és a rekombináció miatt fellépő extra folyamatoknak köszönhetően), hanem a hibás másolási folyamat eredményeképpen keletkező sejt sikeresen egyesül partnerével, és új egyedet hoznak létre, akkor a DNS a másolás közben bekövetkezett hibával együtt lehetőséget kap arra, hogy megmutassa, mire képes. Az így fellépő változások legtöbbjének káros hatása van, vagy legjobb esetben is közömbös. Nagy ritkán a DNS hibás másolása során olyan gén vagy géncsoport jön létre, amelyik a hordozóját a környezethez alkalmazkodóképesebbé teszi, akkor pontosan az a helyzet áll elő, amire a darwini evolúcióelmélet szerint a természetes kiválasztódás míködéséhez szükség van.

Az emberiség genetikai kora
… sok alkalommal feltettük a kérdést, hogy miként változtatta meg valamely tudományos eredmény az emberiség világmindenségben elfoglalt helyéről alkotott képünket. Nem kerülhetjük meg ezt a fontos kérdést a DNS történetéről szólva sem. Az 1960-as évektől kezdődően számtalan tudományos eredmény született ezen a területen, amelyek eredményeképpen a DNS-ben elrejtett kód segítségével meghatározták a gének összetételét. Sok hasonló lépésre lesz még szükség addig, mire igazán meg fogjuk érteni, miként tudják egyes gének más gének tevékenységét irányítani, nem is beszélve annak megértéséről, milyen folyamatok révén „kapcsolódnak be” a gének, amikor szükség van rájuk abban a bonyolult folyamatban, amelynek során a megtermékenyített petesejtből kifejlődik a teljes élőlény. Az 1960-as évektől kezdődően a biokémikusok rendszeresen egyre részletesebben vizsgálták az ember és más fajok genetikai anyagát. Lépésről lépésre egyre világosabbá vált, milyen közeli rokonságban állunk az afrikai majmokkal, amelyeket már maga Darwin is a legközelebbi élő rokonainknak tartott.

Az 1990-es évek végére megállapították, hogy az ember genetikai anyaga 98,4%-ban közös a csimpánzéval és a gorilláéval, ami népszerí szóhasználattal élve „egyszázaléknyi emberré” tesz bennünket.

Ha különböző irányokból próbálunk támadást intézni az ismeretlen ellen, akkor például összehasonlíthatjuk az egymással többé-kevésbé rokonságban álló fajok genetikai állományát az ősmaradványokéval, és ebből az összehasonlításból kikövetkeztethetjük, mikor váltak le a vizsgált fajok valamilyen közös ősről. A genetikai különbség mértéke tehát egyfajta molekuláris óraként használható, amely elárulja, hogy az ember, a gorilla és a csimpánz fejlődési vonala mindössze négymillió évvel ezelőtt vált le egy közös ősről. Az a tény, hogy egy ilyen parányi genetikai különbség oly mértékben különböző élőlényeket képes eredményezni, mint amennyire mi a csimpánzoktól különbözünk, arra utal, hogy a lényeges különbségeknek a más gének viselkedését szabályozó génekben kell rejtőzniük.

A bizonyítékoknak ezt az értelmezését támasztotta alá a Humán Genom Programból származó bizonyíték is. E vállalkozás során 2001-re sikerült feltérképezni az ember génkészlete minden egyes kromoszómájának a DNS-ét. A munka eredményeképpen előálló térkép az A, T, C, és G kódokkal jelölve egyszeríen leírja az összes gént. Ma még a legtöbb gén esetében azt sem tudjuk, mi lehet a szerepe a szervezet míködésében. A térkép kulcsfontosságú vonása azonban az, hogy eszerint az embernek csak mintegy 30 ezer génje van, jóval kevesebb, mint amennyit korábban feltételeztek, bár ez a 30 ezer gén is mintegy 250 ezer fehérje előállítására képes.

Génjeink száma tehát csupán kétszer annyi, mint az ecetmuslicáé, és csak 4000-rel több, mint a kerti zsázsának nevezett növényé. Ebből is nyilvánvaló, hogy egyedül a gének száma nem határozza meg az általuk felépített test természetét. Az emberi lényeknek nincs sokkal több génjük, mint más fajoknak, ezért pusztán a gének számával nem lehet magyarázatot adni, miért különbözünk oly jelentős mértékben más fajoktól. Ismét arra a következtetésre kell tehát jutnunk, hogy legközelebbi rokonainkhoz viszonyítva csupán néhány génünket találjuk eltérőnek, minden bizonnyal elsősorban azokat, amelyek más gének míködését szabják meg.

Az emberi faj nem különleges
Mindezen eredmények hátterében azonban ott rejtőzik egy nagyon fontos tény. Nevezetesen, ezek az összehasonlítások csak azért lehetségesek, mert az összes megvizsgált faj ugyanazt a genetikai kódot használja. A DNS szintjén a sejt míködését biztosító mechanizmusok, beleértve a hírvivő RNS szerepét a fehérjék gyártásában, valamint magát a szaporodást, minden fajnál egyformák, a legcsekélyebb különbség sem tapasztalható az ember és a Földön élő bármely más faj között. Minden létező teremtmény ugyanazt a genetikai kódot használja, és mi mindannyian ugyanúgy fejlődtünk ki az ősi földi életformákból (vagy talán egyetlen életformából).

Semmiféle különleges vonása sincs azoknak a folyamatoknak, amelyek az emberi lények létrejöttét eredményezték, összehasonlítva azon folyamatokkal, amelyek eredményeképpen csimpánzok, tengeri sünök, káposztafejek vagy egyszerí tetvek fejlődnek ki.

Elveszett tehát az emberiség központi szerepe, ami ebben az esetben legalább olyan jelentős, mint amikor hasonló folyamat tanúi lehettünk a Föld világegyetem egészén belül elfoglalt helyét vizsgálva. §

  • DNS – dezoxiribonukleinsav:
    F. Miescher által 1861-ben felfedezett, minden élő sejtben (elsősorban a kromoszómákban) megtalálható foszfortartalmú, polimer szerves anyag, amelyről O. Avery 1944-ben bebizonyította, hogy az átöröklés anyagi hordozója. A DNS-polimert felépítő alapegységek a négy nukleotid (A = adenilsav, C = citidilsav, G = guanilsav, T = timidilsav), ezen egységek egymásutánja a nukleotidsorrend, amely egy hírszöveg betísorához, vagy egy számítógépprogramhoz hasonlóan rögzíti az örökletes információt. A DNS-molekula térbeli szerkezetére 1953-ban J. D. Watson és F. H. C. Crick (Nobel-díj 1962) által javasolt kettőshélix-modell azért korszakos jelentőségí, mert ez a szerkezet érthetővé teszi, hogyan képes az öröklési anyag megkettőzödni (replikáció), magyarázatot kínál az öröklés konzervativizmusára és változékonyságára (mutáció), valamint magyarázza a genetikai anyag információraktározó és információátadó képességét. Némi leegyszerísítéssel állítható, hogy míg a sejt összes DNS-e, a genom, felelős a teljes öröklésért, a DNS-óriásmolekula egy-egy meghatározott (átlagban néhány ezer nukleotid hosszúságú) szakasza azonosítható az átöröklés alapegységével, azaz az egy tulajdonságot (egyetlen fehérje szerkezetét meghatározó) génnel.(forrás: enc.hu)