tg-cbmass-20121025

Méltatlanul elhanyagoltuk egyik kedvenc témánkat, a pigmentáció evolúcióját, de most remek apropó nyílik arra, hogy visszatérjünk rá.

Az utóbbi időben egyre aktívabb Hopi Hoekstra csoportja most az egerek után egy másik kistermetű gerinces csoportot célzott meg: az Új Mexikóban élő gyíkokat.

Egész pontosan három fajt, a keleti sövényleguánt (Sceloporus undulatus), a csíkos teju (Aspidoscelis inornata) és a Holbrookia maculata-t (magyar nevéért még nyomozok) tüntették ki figyelmükkel, mivel mindhárom fajnak ismertek "albínó" populációi, amelyek a Chihuahuan sivatag White Sands nevű gipszdűnéin élnek. Ebben a környezetben érelemszerűen előnyös fehérnek lenni, hiszen így kevésbé keltik fel az állatok a ragadozóik figyelmét, s mivel a táj kb. 6000 éve alakult ki, így ez egy viszonylag friss formáját jelenti az evolúciónak.

Az fő gyanúsított (mint ilyen esetekben lenni szokott) a pigmentációs útvonal kulcsgénje, a melanocortin-1-receptor (mc1r) volt: tudjuk, hogy ha ez a receptor-gén olyan mutációt szed össze, ami folytán folyamatosan aktív lesz, az fekete mintázathoz, ún. melanizációhoz vezet, míg a működését tönkretevő mutációk, világos (vöröses) színkomplexiót okoznak. (Itt egy kicsit szakmai, de zanzásított képi összefoglaló az útvonal működéséről.)

A három esetből kettőben be is bizonyosodott, hogy valóban az Mc1r működésével van gond és ez az oka (legalábbis részben) az észlelt "albinizmusnak". (Az ábrán a receptor vázlatába az egyes fajok esetében előforduló jellegzetes mutációk lettek feltüntetve. Ezek pontos mibenléte a fajok képe alatt található.) A két külön fajnál, azonban teljesen más módon került sor a receptor működésének modulálására. (A Holbrookia sp. esetében valahol máshol keresendő a fehér szín oka - hiába hordoz az mc1r génjük is egy jellegzetes mutációt, annak, úgy tűnik, nincs hatása.)

Annyi közös, mind a sövényleguánok, mind a tejuk esetében, hogy a mutáns receptorok jelenlétében a sejt sokkal kisebb válaszreakciót generál, mint azt tenné hasonló körülmények között, nem mutáns ("vad") receptor jelenlétében (az alábbi ábrán ezt méri a felszabaduló cAMP). Azonban míg a tejuk esetében ennek az az oka, hogy a receptor kevésbé "vezeti a jelet", a sövényleguánoknál a jelek szerint arról van szó, hogy a mutáns receptor alacsonyabb valószínűséggel kerül ki a sejt felszínére (és kevesebb receptor értelemszerűen kisebb jelet generál).

A mutációk típusa azért sem mindegy, mert ez határozza meg, hogy hatásuk domináns vagy recesszív. Mivel az Mc1r molekulák a sejt belsejében dimerizálódnak és csak ezt követően kerülnek ki a membránba, látható, hogy heterozigóta sövényleguáok esetében, hiába van jelen a "vad" allél is, azt a mutáns allél visszatartja a citoplazmába, így aztán a hatása ilyen körülmények közt is érezteti magát. Magyarán, a mutáció domináns. A tejuk esetében viszont a "vad" allél, ha jelen van, kompenzálni tudja a mutáns allél működőképtelenségét, azaz ez egy recesszív mutáció, aminek hatása csak akkor lesz látható, ha egy egyed kizárólag  a mutáns mc1r allélokat hordozza.

Mivel a szelekció a kinézeten, vagyis a fenotípusokon "dolgozik" mindez kihatással van a különböző élő populációk genetikai összetételére is. A leguánok esetében az "albínó" populációkban is jelen lesz a vad típusú allél, hiszen heterozigóta formában az még mindig fehér színt eredményez, viszont a hagyományos környezetben élőkből teljesen hiányozni fog a mutáns allél (mert nem épp adaptív a fűcsomók közt fehéren rohangálni). A tejuk esetében pedig épp fordítva: a "klasszikus" populációkban is megtalálható a mutáns allél, ellenben a vadtípusú variáns csak nyomokban van jelen a dűnelakók génállományában.

Összességében a példa szépen mutatja, hogy a konvergens evolúció sem mindig ugyanazt az útvonalat járja be, még ha gyakorta ugyanazon az útvonalon keresztül érezteti a hatását.

(Az első kép innen való.)

Rosenblum EB, Römpler H, Schöneberg T, Hoekstra HE. (2010) Molecular and functional basis of phenotypic convergence in white lizards at White Sands. PNAS 107(5): 2113-2117.

Méltatlanul elhanyagoltuk egyik kedvenc témánkat, a pigmentáció evolúcióját, de most remek apropó nyílik arra, hogy visszatérjünk rá.

Az utóbbi időben egyre aktívabb Hoppi Hoekstra csoportja most az egerek után egy másik kistermetű gerinces csoportot célzott meg: az Új Mexikóban élő gyíkokat.

Egész pontosan három fajt, a keleti sövényleguánt (Sceloporus undulatus), a csíkos teju (Aspidoscelis inornata) és a Holbrookia maculata-t (magyar nevéért még nyomozok) tüntették ki figyelmükkel, mivel mindhárom fajnak ismertek "albínó" populációi, amelyek a Chihuahuan sivatag White Sands nevű gipszdűnéin élnek. Ebben a környezetben érelemszerűen előnyös fehérnek lenni, hiszen így kevésbé keltik fel az állatok a ragadozóik figyelmét, s mivel a táj kb. 6000 éve alakult ki, így ez egy viszonylag friss formáját jelenti az evolúciónak.

Az fő gyanúsított (mint ilyen esetekben lenni szokott) a pigmentációs útvonal kulcsgénje, a melanocortin-1-receptor (mc1r) volt: tudjuk, hogy ha ez a receptor-gén olyan mutációt szed össze, ami folytán folyamatosan aktív lesz, az fekete mintázathoz, ún. melanizációhoz vezet, míg a működését tönkretevő mutációk, világos (vöröses) színkomplexiót okoznak. (Itt egy zanzásított képi összefoglaló az útvonal működéséről.)

A három esetből kettőben be is bizonyosodott, hogy valóban az Mc1r működésével van gond és ez az oka (legalábbis részben) az észlelt "albinizmusnak". A két külön fajnál, azonban teljesen más módon került sor a receptor működésének modulálására.

A sövényleguánaok esetében

Rosenblum EB, Römpler H, Schöneberg T, Hoekstra HE. (2010) Molecular and functional basis of phenotypic convergence in white lizards at White Sands. PNAS 107(5): 2113-2117.

És akkor egy kis visszatérés egyik kedvenc vesszőparipánkhoz, a pigmentáció evolúciójához. Ezúttal az észak amerikai szürkefarkasokat vesszük nagyító alá, ugyanis ennél a fajnál egy érdekes színezeti trend figyelhető meg: az északi, fátlan tundrán fiatalon világosszürkék, idősebben pedig piszkosfehér színűek ezek a ragadozók, viszont délebbre, ahogy nő az erdővel borított területek aránya, úgy nő egy olyan színváltozat gyakorisága is, amelyik fiatalon fekete, majd később sötétszürkévé válik.

A fekete szín ilyen esetekben mindig egy kicsit árulkodó: mivel már számos faj esetében feltérképezték a besötétülést, azaz melanizációt okozó mutációt, tudjuk, hogy leggyakrabban ez a egy ún. melanocortin receptorhoz, vagy az általa aktivált útvonalhoz köthető. Így aztán kézenfekvő volt a fekete farkasokban is először a receptort kódoló mc1r gént, ill. a jelátviteli út anatgonistáját kódoló agouti-t megvizsgálni. A vizsgálat azonban nem hozta a várt eredményt: a két említett génben semmilyen olyan változás nem tapaszatlható, ami megmagyarázná a pigmentációs útvonal extra aktivációját.

Így aztán más jelöltek után kellett nézni, és az egyik az történetesen az a K lókusz lett, amiről nemrég kutyák esetében derült ki, hogy mutálódva fekete szőrszínt okozhat. Itt már több szerencsével járt a kutatás: kiderült, hogy a szóbanforgó gén, a fekete egyedekben valóban tartalmaz egy rövid, 3 bázispárnyi deléciót, ami működésképtelenné teszi. Ami azonban furcsává teszi a dolgot, hogy pont ugyanezt a mutációt lelték a fekete ebekben is.

Ennek magyarázatára három elméletet gyárthatunk: vagy a kutyák és farkasok ősében már létezett ez az allélvariáns, ami mindkét vonalon megmaradt és amikor a szelekciós körülmények megfelelőek lettek, hirtelen elterjedt, vagy az adott DNS szakasz valahogy különösen vonzza a mutációkat, vagy a mutáció valójában csak egyszer, vagy a kutyákban, vagy a farkasokban jelent meg, s később átkeveredett a másik vonalba (ne feledjük, itt azért egy fajról van szó, ez nem lehetetlen).

Eldöntendő, hogy melyik is igaz a három elmélet közül, a kutatást végzők górcső alá vették a K lókusz körüli DNS területeket is. Először is az derült ki, hogy fekete farkasokban, ellentétben a fekete kutyákkal a mutáns allél körüli DNS szakasz gyakorlatilag mindig változatlan. Ez arra utal, hogy a mutáció nemrég jelent meg a körükben, különben a rekombináció révén azért már több változatosság csúszott volna be ebbe a genomi régióba. (A hosszabb idő több egyedet és így több ivarsejtet jelent. Márpedig minden ivarsejt kialakulását megelőző meióziskor bizonyos eséllyel lejátszódhat egy rekombináció a K lókusz közelében. Minnél több rekombinációra volt alkalom, ez az esély egyre nagyobb lesz.)

Ami azonban még meglepőbb: a fekete farkasok szóbanforgó DNS szakasza leginkább nem a szürke farkasok homológ DNS szakaszára hasonlított (amit, ha a mutáció a farkasokban következett be, elvárnánk), hanem a kutyák K lókusz körüli szakaszára!

Vagyis a fekete farkasok magyarázata abban rejlik, hogy a kutyákban megjelent genetikai variáció visszakerült a farkasokba (a mikéntbe ne menjünk most bele, a zord és hideg északi erdők nyilván forró románcoknak is helyet adhatnak ;-)), ami kivételesen szelekciós előnynek bizonyult: az erdők árnyai között előnyösebb fekete/szürke színben pompázni mint fehérben. Így aztán a frissen megjelent DNS variáció rögzült a szürkefarkas populációban, s fokozatosan elterjedt. Kivételesen, egy emberi szelekció által létrehozott variáció, a természetben is megállta a helyét.

Anderson TM, Vonholdt BM, Candille SI, Musiani M, Greco C, et al. (2009) Molecular and Evolutionary History of Melanism in North American Gray Wolves. Science doi: 10.1126/science.1165448

Az autó előtt volt a ló, s ez időben a fehér hátas számított az abszolút státuszszimbólumnak. Nem meglepő hát, hogy a tenyésztők mindent megtettek a privilegizált kevesek ezirányú igényeinek kielégítéséért. E törekvések eredményeként, egymástól függetlenül, több világos lóparipafajta jött létre, melyek többnyire különböző mutációknak köszönhetik színüket. Az egyik ilyen genetikai elváltozásról nemrég már ejtettünk szót, most lássunk a "fehérló-probléma" egy másik lehetséges "megoldását".

Pontosabban, ha teljesen hűek akarunk maradni a valósághoz, ezek a lovak nem is fehérek, a szó szoros értelmében. Legalábbis életük elején nem azok (hanem szürkék), csak viszonylag hamar "megőszülnek", s szőrük fehérré változik. Ennek a pontos biológiai (sejt szintű) mechanizmusa még nem ismert, de a korai őszülés mögött levő gén(ek) azonosításával, egy igencsak jó képet alkothatunk arról, mi is történik.

Azt már eddig is tudni lehetett, hogy a tulajdonság 25. kromoszómához kötődő, domináns jelleg (vagyis elég ha csak a kromoszómapár egyik tagján megtalálható a mutáció, akkor is látható lesz a hatása). Ami csak most derült ki, hogy pontosan, hol is van a kormoszómán a genetikai változás.

Több mint 700 ló megvizsgálása után (na és persze a jól haladó ló genom-projectnek is köszönhetően) a kutatást végzők egy szűkebb régióra kezdtek összpontosítani, ahol mindössze négy gén található. Ezek egyikét sem hozták korábban összefüggésbe a színezettel, bár sejtbeli funkciója alapján legalább az egyikük esetében nem zárható ki elviekben ilyesmi. Ez pedig egy synatxin gén (STX17), amelynek a sejt belsejében levő kis "csomagok", ún. vezikulumok szállításáért felel: mivel a színanyagot termelő melanocita sejtek ilyen csomagokban tartják a színanyagukat, már látszólag meg is van a tettes. A gond, elsőre, csak az, hogy a STX17 fehérje szerkezetileg teljesen normális (sőt, a másik három fehérje esetében is hasonló a helyzet). Ha azonban a fehérjét kódoló gént vesszük jobban szemügyre, akkor hamar felfedezhető, hogy egyik nem kódoló régiója, intronja megduplázódott. S mivel ebben a DNS szakaszban olyan szabályozó elemek vannak, amelyek a gén expresszióját alapvetően meghatározzák, a duplikáció eredményeképpen a STX17 gén túltermelődik.

A már-már idilli képet azonban egy makacs tény nem hagyja összeállni: ha ezekben a lovakban valóban a kis "csomagocskák" szállításával lenne elsősorban gond a szőrzetért felelős szőrtüszők melanocitáiban, akkor az már születésüktől fogva evidens kellene legyen. De nem az, hiszen amint írtam születésükkor még igencsak színesek. Azaz mindent összevetve valószínűtlen, hogy a STX17 lenne a ludas. De akkor mi más?

Mint kiderült, a duplikáció nemcsak a synatxin gén expresszióját változtatta meg, hanem a szomszédos NR4A3 génét is megnövelte. Ennek szerepe a sejtciklus szabályozásában van, így például azt is meghatározza, hogy milyen ütemben jöjjenek létre a már emlegetett melanociták az őssejtjeikből. Ha túl sok NR4A3 van a sejtben a ciklus túlpörög és a túlerőltetett őssejtek elpusztulnak, vagyis egy idő után már nem jönnek létre új melanociták a szőrtüszőben, s ennek következményeként nem termelődik új színanyag. Ezt a "felpörgetős" modellt látszik alátámasztani az is, hogy a fiatal lovak, az őszülés beállta előtt, paradox módon kicsit besötétülnek - épp mint azt elvárnánk, ha kezdetben, az őssejtek kifáradása előtt, túlpörög a színanyag termelés.

A sejtciklusba való belepiszkálásnak azonban másfajta hatásai is lesznek: a 15 évnél idősebb szürke lovakban 70-80 százalékos valószínűséggel bőrrák lesz diagnosztizálható. Ennek elsődleges oka a melanociták egy másik típusának, a bőrben levő pigmentsejteknek a kóros elburjánzása. Különösen magas a dagant kialakulásának a gyakorisága a lipicai lovakban, így érdemes volt annak is utánanézni, hogy ezt milyen (további) mutáció okozhtaja?

A STX17 intron-duplikáció mellett ezekben a hátasokban az agouti nevű gén működésével is gondok vannak. Ez elsőre nagyon furcsa: más fajokban, ha ez a gén nem működik, annak sötét szőrzet az eredménye. A lipicai lovakban azonban a szőrtüszők melanocitáinak hiányában minderre nincs lehetősége az agouti által befolyásolt MC1R-jelátviteli-útvonalnak. Helyette viszont a bőrben levő további pigment sejtekben kavarnak (az STX17-el karöltve), s ennek lesz eredménye a melanoma.

(A lipicai lovak képe a kalandtabor.hu-ról származik.)

Rosengren Pielberg G, Golovko A, Sundström E, Curik I, Lennartsson J, et al. (2008) A cis-acting regulatory mutation causes premature hair graying and susceptibility to melanoma in the horse. Nat Genet 40(8): 1004-1009.

Az elmúlt év legvisszatérőbb témája az állati szőrszínezet, vagyis pigmentáció evolúciója volt, így talán stílszerű, hogy az év utolsó postjának tervezett, de persze az új évbe átcsúszó beírás is ezzel a témával foglalkozzon.

Mondjuk a pigmentációs posztok közt talán meglepő módon ez alkalommal egy nem-emlős gerincesről lesz szó. Ugyanakkor a rendszeresebb olvasók számára nem lesz meglepő utóbbi kiléte, hiszen az evodevo kutatások egyik új sztárjáról lesz szó, a tüskéspikóról. Az új eredményt ugyanaz a David Kingsley (illetve csoportja) követte el, aki korábban a pikók tengeri és édesvízi változatai közt megjelenő csontozatbeli különbségek molekuláris okait kutatta.

Ezúttal is az említett két populációhoz nyúltak vissza, de ez alkalommal nem a hasúszók jelenlétére és csontlemezek számára koncentráltak, hanem a halak színére. Ugyanis felfigyeltek arra, hogy az édesvízi tüskéspikók lényegesen világosabbak, mint tengeri társaik. Ráadásul ez nemcsak egy helyen figyelhető meg, hanem számos, földrajzilag egymástól távol levő tóban, valószínűvé téve, hogy a halak "kivilágosodása" többször, párhuzamosan végbement.

A két populáció keresztezése, illetve az így kialakuló utódok molekuláris térképezése (részleteket lásd az előző tüskéspikós posztban) után a gyanú a pikók 19. kromoszómájának egy jól behatározható régiójára esett, oda ahol a Kit Ligand (Kitlg) nevű gén található, amely a KIT nevű receptorhoz kötődni képes fehérjét kódolja. A KIT receptor maga már ismerős lehet a pigmentáció-ínyencek (valaki súgja meg, hogy az angol "aficiando"-t lehet-e magyarítani? ;-)), hiszen a közelmúltban ennek a génjét hozták kapcsolatba a fehér lovak színtelenségével is, így a Kitlg kézenfekvő jelöltnek tűnt.

Kicsit figyelmesebb kutakodás aztán kiderítette, hogy feltehetőleg valóban a Kitlg mutációja okozza a világos színt az édesvízi pikókban, de nem egy ún. "strukturális" mutációról van szó (vagyis nem a gén kódolta fehérje szekvenciája változott úgy meg, hogy a ligand működésképtelen lett), hanem a gén szabályozásában bekövetkezett változásról: a Kitlg számos olyan testrégióban nem íródik át a világos halakban, ahol egyébként tengeri társaikban átíródna.

Mint pár sorral feljebb már említettem, egymástól távoli, így nem rokon édesvízi populációk egyaránt világosak, kézenfekvőnek tűnt, hogy a párhuzamos evolúció egy klasszikus példájával állunk szemben, ahol nagyon hasonló tulajdonságok alakulnak ki egymástól függetlenül - esetenként nagyon hasonló módon. A pikó pigmentáció esetében a különböző tavi populációk szinte megegyező Kitlg változást mutatnak, ami gyanússá tette, hogy a mutáció már az eredeti, tengeri populációban is jelen volt, s később megfelelő környezetekben elterjedt a halak között. Néhány tucat tengeri hal górcső alá vétele kiderítette, hogy valóban ez a helyzet: pár százalékos gyakorisággal a Kitlg szabályozó mutációja jelen van sötét populációkban is. Hogy pontosan mi volt az az előny, ami miatt aztán a mutáció előnyössé vált a tavakban, arról egyelőre csak találgathatunk.

A Kit - Kitlg páros a pigmentsejtek túlélését és méretét szabályozzák, így szerepük logikus a pigmentáció alakításában, de vannak más funkcióik is pl. a vérképzésben, szaporodóképességben vagy éppen a térbeli tájékozódás kialakításában. Ez utóbbi azért érdekes, mert az édesvízi tüskéspikókban miközben a bőrben és kopoltyúban csökkent a Kitlg koncentrációja, az agyban növekedett. Tehát elképzelhető, hogy a tavi környezetben előnyösebb a világosabb szín és ennek kialakulását kísérte a gén átíródásának megnövekedése az agyban. de az sem kizárt, hogy a tavak aljzata igényelt másfajta tájékozódást, mint a tengerek nyílt vize, és ez vezetett a Kitlg agybeli szabályozásának megváltozásához, ami mellett másodlagos a színbeli különbségek kialakulása. Hogy mi a pontos helyze, azt majd további kutatások deríthetik ki.

Ami miatt a Kitlg története különösen izgalmassá válik, az az, hogy számos európai és ázsiai populációban ez a gén azok között található, amelyek komoly szelekción mentek keresztül az utóbbi pár tízezer évben. Mint az mindenki számára triviális, az említett földrajzi területeken élő emberekre egyaránt a világosabb bőrszín a jellemző: mivel a kisebb UV sugárzás miatt nem kell annyira védjék a bőrüket sötét pigmenttel és inkább a D-vitamin szintézisükre tudnak koncentrálni, amihez történetesen nem árt a napfény. (A hasonlóság mellett talán egy különbséget is hangsúlyoznék: a pikókkal ellentétben, az ősi emberi populációkban valószínűleg nem volt jelen a mutáns allél, az magától alakult ki később.)

Az emberi bőrszínt természetesen nem egy, hanem számos gén együttes hatása alakítja ki. Azonban a Kitlg történetesen nem az első olyan gén lenne, amelynek szerepét egy hal segítségével tisztázták; erre a címre egy ioncsatorna, az slc24a5 pályázhat. Persze a teljes igazsághoz az is hozzátartozik, hogy az emlős bundák színét gyakorta alakító MC1R, melanocortin receptor és vele egy jelátviteli útvonalban levő fehérjék szintén szerepet kapnak az emberi bőr- ill. szőrzet színek különböző árnyalatainak kialakításában: a napokban jelent meg például egy olyan tanulmány is, amely az izlandiak és hollandok körében megfigyehető haj-, szem- és bőrszín variáció tetemes részének okát a Kitlg ill. egy másik slc ioncsatorna mellett, az Mc1r-ben és molekuláris partnereiben lelte.

Miller CT, Beleza S, Pollen AA, Schluter D, Kittles RA, Shriver MD, Kingsley DM (2007) cis-Regulatory Changes in Kit Ligand Expression and Parallel Evolution of Pigmentation in Sticklebacks and Humans. Cell 131: 1179-1189.
Sulem P, Gudbjartsson DF, Stacey SN, Helgason A, Rafnar T, et al. (2007) Genetic determinants of hair, eye and skin pigmentation in Europeans. Nat. Genet. 39(12): 1443-1452.