tg-cbmass-20121025

Amikor egyes kígyók elcsökevényesedett hátsó végtagjairól (ill. azok kialakulásáról) esik szó, mindig szívesen felidézem, hogy a kezdet-kezdetén, a blog indulásakor erről szólt a legelső poszt. Nem véletlenül persze, hiszen kevés izgalmasabb téma van egy fejlődésbiológus számára, mint a csökevényszervek, az élőlények közös leszármazásának legszebb bizonyítékai.

Hasonlóan a cetek hátsó végtagjainak történetéhez, a kígyók esetében is elkezd kialakulni a végtagbimbó (A,B), csak később valami miatt nem marad meg. Eltűnik a fejlődő embrióban és vele együtt annak az esélye is, hogy kialakuljanak a végtagok. (Bár boák esetében egész csökevényesen megmaradnak, és a rendelkezésünkre álló fosszíliák, ill. genomi szakaszok segítségével rekonstruálható, hogy miként és feltehetően miért tűntek el a hátsó vegtagok.)

Mint minden csökevény szervnél, a kígyóknál is belefutunk időnként atavizmusokba, amelyek kicsi, de jól felismerhető lábakat eredményeznek (C), akárcsak a három éve Japán partjainál kifogott delfin esetében.

Az atavizmusok mértéke persze különböző lehet, de az idén szeptemberben Kínában felfedezett jószág mindenképpen valami rekorder lehet. Mint látható egy szinte teljesen komplett hátsó végtag lóg ki a jószágból. És mivel a kép önmagéárt beszél, én itt kb. be is fejezném...

Boughner JC, Buchtová M, Fu K, Diewert V, Hallgrímsson B, Richman JM. (2007) Embryonic development of Python sebae - I: Staging criteria and macroscopic skeletal morphogenesis of the head and limbs. Zoology (Jena) 110(3): 212-230.

Az evolúciót legjobban szemléltető fajokról alkotott szubjektív toplistámom, a galapagosi pintyek, a tüskés pikó és a nyírfaaraszoló lepkék mellett igen előkellő helyet foglal el egy mexikói lazacfaj is, az Astyanax mexicanus. (Kicsit offtopic kitérő: a nyírfaaraszolóról lehet elvétve olyan pletykákat hallani kreacionista berkekből, hogy valójában nem is szemléltetik jól az evolúciót, de nem kell felülni nekik: mint annyi másban, ebben is tévednek.)

Az Astyanax-nak alapvetően két populációja ismert: egyik a felszíni tavakban él és teljesen hétköznap kinézetű (ez "surface fish" néven szerepel majd az ábrákon), a másik pedig a Yucatán félszigetet alkotó mészkőben képződött barlangok tavaiban lakik, teste pigmentszegény és első pillantásra úgy tűnik, hogy teljesen vak, hiszen egyáltalán nincs is szeme ("cavefish").

Az első látás azonban picit (de nem nagyon) csalóka. Ugyanis bár ezek a halak funkcionálisan kétségtelenül vakok, a szemük azért kialakul a fejlődés során. Egy egészen fiatal, egynapos embrióban (lásd baloldalt) még egészen jól látható a szem, bár már látszik, hogy nincs minden rendben vele: kicsit kisebb, és az alsó (ventrális) része szinte teljesen hiányzik. Később azonban fokozatosan elsatnyul, s bár nem tűnik el teljesen, a fejlődő lárva más szövetei körbenövik.

A kérdés tehát adott: mind molekuláris, mind evolúciós-adaptációs szemszögből, miért nincs szeme a barlangban élő Astyanax-oknak? Bár a teljes választ még nem ismerjük, elég sok mindent tudunk arról, hogy sejtsük hol kell keresgélni. Ráadásul a kérdés megválaszolását kétségtelenül segíti mind az a tény, hogy számos más halfaj (pl. a zebrahal és a medaka) már bejáratott fejlődésbiológiai kísérleti "nyúl" (vagyis általában elég sokat tudunk a halak fejlődéséről), mind az a fontos tény - amit nem is hangsúlyoztam az elején -, hogy a felszíni és barlangi lazacpopulációk vidáman keresztezhetőek egymással (ez megkönnyíti a mutáció(k) beazonosítását).

Már az első kísérletek is azt sugallták, hogy a szem egészen korai embrionális fejlődésével nem stimmel valami. Amint arról minap írtam, a szemfejlődés egy fontos lépése, amikor a szemhólyag és a lencse-placod közti molekuláris összjáték eredményeképpen előbbiből kialakul a szemserleg, az utóbbi pedig szemlencseként lefűződik.

A barlangi Astyanax-ok szemlencséje azonban pusztuló sejtekből áll, éppen ezért nem tud megfelelő viszontjelzéseket adni a formálódó szemserlegnek, ezért marad az viszonylag satnya. De ha, egy felszíni halembrió lencse-placodját átültetjük rgy vele egykorú barlangi társába, akkor utóbbiban, az átültetés helyén ép és egészésges, működő szem alakul ki ("transplant side")! (A "control side" azt mutatja, hogy mi lesz, ha egy másik barlangi Astyanax lencséjét ültetik át - semmi.)

Hát ez egyszerű, gondolhatnánk, akkor tehát a szemlencse sejtjeivel van a baj. Na nem egészen. Az előbb is emlegetett molekuláris összjáték azt jelenti, hogy a lencse félrefejlődéséért, akár a szemhólyag is felelős lehet (ha nem küld megfelelő jeleket, a lencse sem fejlődik normálisan). És valóban, a jelek azt mutatják, hogy itt van a kutya elásva. Ugyanis a kétfele osztódott szemmező (lásd ismét a gerinces szemfejlődés postot) két, pax6 által jelölt oldala kisebb a barlangi lazacokban, mint a felszíniekben (E,F). A különbség nem tűnik drámainak, de, mint azt mindjárt látni fogjuk, ahhoz éppen elég, hogy a szóbanforgó változás oka legyen.

A szemmező változása a középvonal, pontosabban az ebben levő shh expressziós terület kiszélesedése miatt következik be (A, B). Ismétlem, a különbség mindössze néhány sejtben mérhető: amíg a felszíni halakban kb. 6 sejtsor vastagságú a középvonal Shh⁺ területe, addig a barlangi populációkban 10 sejtsorról van szó.

Lehetséges-e, hogy ez a minimális különbség okozza az elég drasztikus különbséget a felnőtt halak között? Ennek eldöntésére egy kis extra Shh-t jutattak felszíni Astyanax-ok embriójának egyik oldalába. Az eredmény magért beszél: már az egynapos embrióknak is lényegesen kisebb a szeme a "kezelés" oldalán (H), a felnőtt halakban, pedig nagyon hasonlóan a barlangi rokonokhoz, a bőr benövi a szemet, azaz a szóbanforgó oldalon a halak kvázi vakok lesznek (J).

Bár a mutációt még konkrétan nem sikerült kiszúrni, a legtöbben valamilyen szabályozó régió megváltozására fogadnak. (A legtöbb fejlődésben fontos gén nagyon sok helyen hat az embriogenezis során, éppen ezért valószínű, hogy egy ilyen kicsi és lokalizált változás nem egy gén teljes működésképtelenségére vezethető vissza.) A legérdekesebb az egészben az, hogy az eddigi genetikai vizsgálatok azt mutatják, hogy a bár ez az Astyanax faj legalább öt külön vonalon vált vakká (magyarán minimum öt olyan barlangi populáció ismert, amelyek különböző mutációk miatt jöttek létre), a shh kifejeződés erősödése, ill. a lencse elpusztulása minden esetben bekövetkezett.

És ezzel elértünk a szakmai berkekben sokáig legvitatottabb kérdéshez: mi az evolúciós oka a szem hiányának? Egyrészt elképzelhető, hogy a szemfejlődésben bekövetkezett malőr annak tudható be, hogy a hal amúgy sem használta a látószervét, így a szem kialakulásában fontos gének (szabályozó szekvenciái) szabadon elromolhattak, hiszen természetes szelekció nem szűrte ki a megvakult példányokat, és azok később valahogy elterjedtek (ez a "neutrális mutáció" elmélete). Másrészt az is egy lehetséges magyarázat, hogy azok a változások, amelyek a kvázi vakságot okozzák, egyben olyan más változásokhoz is vezetnek, amelyek kifejezetten előnyösek a hal számára (ez pedig az "adaptív evolúció" elmélete).

Jelen ismereteink alapján utóbbinak áll a zászló. Ugyanis nyilvánvaló, hogy a Shh expressziója nem elromlott, hanem éppen hogy túlságosan hatékony lett. Másrészt azok a gének, amelyek csak a szemfejlődésben szerepelnek (ilyenből is akad néhány), s így a neutrális mutációk legkézenfekvőbb célpontjai lehetnének, továbbra is működőképesek a vaklazacban és át is íródnak a fejbe besüllyedt, elsorvadt, más szövetek által körbenőtt szemben. A valószínűbb magyarázat az (és erre számos bizonyíték van), hogy a Shh expresszió megnövekedése egyben erősíti a szaglótevékenységet és egy robosztusabb álkapocsszerkezet kialakulását. Ezek pedig olyan tulajdonságok, amelyek nyilvánvalóan előnyösek lehetnek a barlangok sötétjében. És nota bene, egy elsötétített akváriumban a vaklazacok mindig sokkal hatékonyabbak a táplálékszerzésben, mint látó társaik.

(Ui.: A fejbe besüllyedt, amorf szem természetesen éppen olyan csökevény szerv, mint pl. az emberi farok, vagy a korábban tárgyalt más példák.)

Menuet, A, Alunni, A, Joly, JS, Jeffrey, WR, Rétaux, S (2007) Expanded expression of Sonic Hedgehog in Astyanax cavefish: multiple consequences on forebrain development and evolution. Development 134: 845-855.
Jeffrey, WR (2005) Adaptive evolution of eye degeneration in the mexican blind cavefish. J. Hered. 96(3): 185-196. doi: 10.1093/jhered/esi028
Yamamoto, Y, Stock, DW, Jeffrey, WR (2004) Hedgehog signalling controls eye degeneration in blind cavefish. Nature 431: 844-847.

(Nem, nem ARRÓL lesz szó.) Az, hogy mi magunk, emberek is gerincesek vagyunk nem szokott vitaszámba venni. Pedig ha kötekedve végigzongorázzuk, melyek az általános gerinces tulajdonságok, akkor legalább egyen megakadhat a szemünk. Mert mi is a helyzet a posztanális (azaz fenék mögötti) farokkal?

Az emberek (kevés kivételtől eltekintve, de ezeket lásd majd a végén) ilyesmivel nem büszkélkedhetnek, és ennek megvan a maga evolúciós oka is. Mert míg egy fán élő emlős esetén egy jól fejlett farok segíthet a mászásban, minket már zavarna kétlábon járás közben. S mivel a gerincoszlop ezen szakaszában amúgy sem fut már a központi idegrendszer, nem volt szervi akadálya az elsatnyulásának sem. De az embrionális fejlődés során a farok elkezd kialakulni. Például ha egy 4-5 hetes humán embriót veszünk szemügyre, akkor annak (testmérethez mérten) éppen akkora farkincája lesz mint egy egér embriónak egy (az egér terhesség hosszához mért) hasonló időpontban. 2-3 héttel később azonban már nyoma sincs a faroknak. A "miértre" egyszerű a válasz: szövettani vizsgálatok szerint a fejlődés ezen szakaszában a farokban levő sejtek hirtelen nagyütemben pusztulni kezdenek. Ezért nem lesz aztán végül se farkunk, se különálló farokcsigolyáink (ezek összeolvadva hozzák létre az ún. farokcsontot).

Mármint, ha minden jól alakul. Ugyanis néhány esetben a fejlődés "visszalép" az evolúciós időben, és valamiért nem kapcsol be az a mechanizmus, amelyik révén a szóbanforgó farok-sejtek elpusztulnak. Ilyenkor olyan kisbabák születnek, akiknek nemcsak látható farkincája van, de abban csontok izmok és idegek is találhatók, így össze is tudják húzni váratlan testrészüket (számos esetben csak egy bőr és zsírkinövésről van szó - ilyen esetekben vitaható, mennyire tekinthető "faroknak" a szóbanforgó kinövés). Nem teljesen világos, milyen molekuláris okból történik mindez, de az egyik "gyanúsított" a Wnt3a nevű molekula. Azok az egerek, amelyekben ez a fehérje nem fejeződik ki a farokkezdeményben, farok nélkül jönnek a világra. Persze hogy valóban a Wnt3a kifejeződésében bekövetkező csökkenés okozta egy réges-régi ősünkben a "faroktalanodást" (illetve ugyanezen molekula koncentrációjának növekedése okozza ma az atavisztikus farkak megjelenését) az még felderítésre vár. Az azonban biztos, hogy az embrionális és atavisztikus farkak puszta léte fel képes villantani evolúciós múltunk egy apró filmkockáját.

Sapunar D, Vilovic K, England M, Saraga-Babic M. (2001) Morphological diversity of dying cells during regression of the human tail. Ann. Anat. 183: 217-222.
AnatomyAtlases.org | 29+ Evidences for Macroevolution

Előzmények:
„Kígyónak lábsó...” - Csökevény szervek 1. | Kilóg a kígyóláb
"... madaraknak fogsor" - Csökevény szervek 2. | Re: "...madaraknak fogsor"
Mikor a bálna a lábán jára - Csökevény szervek 3.

Egy-egy bálnacsontvázzal szembesülve az átlagember első (és gyakran egyetlen) gondolata, hogy "hát igen, ez valóban bazi nagy". Azonban a fizikai nagyság el- és felismerése mellett gyakran hajlamosak vagyunk elsuhanni az apróbb részletek mellett (persze néha kontár preparátorok is segítenek ebben).

Éppen egy masszív csontváz kapcsán beszélni "apró" részletekről, furcsának tűnhet (és valóban, minden relatív), de ez esetben mégsem inadekvát. Arról a két kisméretű csontról lesz itt ugyanis (javarészben) szó, amelyek a test két oldalán, a gerincoszlop alatt helyezkednek el a bálna hasában.

A két csont annyira jelentéktelennnek tűnik, hogy kevésbé figyelmes szemlélők gyakran észre sem veszik őket (és nota bene, a bálna mindennapjai szempontjából tényleg nem is bírnak jelentőséggel), pedig evolúciós szempontból egyáltalán nem érdektelenek: arról a korról tanúskodnak, amikor a mai bálnák ősei a szárazföldön jártak. A két csont ugyanis a bálnák medenceövének és hátsó végtagjának a maradéka.

A cetek különösen jól alkalmazkodtak a vízi élethez, hiszen azon kevés emlősfaj közé tartoznak, amelyek képesek egész életüket a vízben leélni: itt táplálkoznak, párzanak, sőt itt hozzák világra utódaikat is. Kevés kétség fér ahhoz is, hogy a bálnák és delfinek testalkata hidrodinamikailag szinte tökéletes, olyan mintha erre az életformára "teremtettek" volna.

Persze "teremtő aktusról" nincs (és nem is volt) szó, de a cetek különlegessége az emlősök között sokáig komoly fejfájást okozott Darwinnak és remek támadó felületet kínált a kreacionista mozgalmaknak az evolúcióval szemben. Az elmúlt évtizedben aztán minden megváltozott. Számos olyan fosszília került napvilágra, amelyek segítségével egyre finomabb képet kaptunk arról, miként is szánta rá magát az emlősök egy csoportja, hogy áttérjen a vízi életre. S bár nyilvánvalóvá vált, hogy Drawin megérzése, miszerint a cetek egy medveszerű ragadozó őstől számaznak pontatlan, mégsem tévedett nagyot. A történet valóban egy ragadozóval kezdődik, egy patás ragadozóval.

Ez a ragadozó, a mára már kihalt, tartozó Mesonychia csoportba tartozott. Egy farkas alkatú és méretű páros-ujjú patások volt, amelynek jellegzetes fogazata sokban hasonlított a mai ragadozó cetek fogaihoz.

A legősibb szárazföldi "cet" a Pakicetus, amely cirka 50 millió éve örvendeztette meg jelenlétével a környezetét, és a maradványai alapján mindenapi zsákmányát a folyókban halászva szerezte. Őt követi a sorban az Ambulocetus, amely már inkább egy emlősbe oltott krokodilként írható le: állkapcsa megnyúlt és hosszú farka volt, amelyet (feltehetőleg) előszeretettel használt az úszás során.

Ezután ahogy közeledünk korban napjainkhoz, úgy válnak a fosszíliák is egyre delfin- és bálnaszerűbbé. Egyre izomsabb farokúszójuk van, de ugyanakkor még mindegyiken jól felismerhető a hátsó végtag (bár fokozatosan csökken a mérete). Éppen ezért a legtöbb kutató azt valószínűsiti, hogy akárcsak ma a fókák és rozmárok, a Gaviocetus és rokonai még ki-kijöttek a szárazföldre, de ott egyre sutábban mozogtak. A sorozat a Basilosaurusnál látszik megszakadni, ahol már csak egészen elsatnyult hátsó végtaggal találkozunk - ennek már csak a párzásban lehetett szerepe.

(A vízi életmódhoz történő alkalmazkodás során a változás persze nem csak a hátsó végtagra korlátozódott. Jól nyomon követhető a fogazat átalakulása, a légzőnyílás "vándorlása" az állkapocs elejétől a koponya középső részére, vagy éppen a középfül átalakulása. Utóbbi különösen fontos lehetett, hiszen főleg rossz látótávolság esetén a vízben megnő a hallás jelentősége (még echolokáció hijján is), de a "hagyományos" szárazföldi életmódhoz alkalmazkodott emlős hallókészülék felkészületlen a vízben történő tájékozódásra. A külső hallójárat jelentősége elvesztődik, mivel a vízben terjedő hanghullám "berezgeti" az egész koponyát, ez pedig megnehezíti a hang irányának meghatározását. Ezért a cetek hallókészüléke egy párnázott üregben helyezkedik el, ahova az állkapocs körül elhelyezkedő különleges zsírpárna vezeti a hangot.)

Egy fejlődésbiológus számára persze a legizgalmasabb kérdés, hogy milyen molekuláris és genetikai okokra vezethető vissza a hátsó végtag elvesztése? Mivel sem bálna-, sem delfin embriókkal nem egyszerű dolgozni, a kérdés megválaszolása sokáig váratott magára, de idén tavasszal született egy magyarázat.

(Mivel lusta vagyok az alapoktól elindulni ;-), a következő bekezdés tartalmának kisilabizálásához meleg ajánlom a végtagfejlődéses post (újra)olvasását.)

A bálna fosszíliák felkutatásában is jeleskedő Hans Thewissen csoportja pettyes delfinek fejlődő embrióiban kezdte vizsgálni, hogy mely pontjain ment gallyra a végtagfejlődés mechanizmusa.

Az már régóta ismert volt, hogy a cetek embrionális fejlődése során megjelennek a hátsó végtagbimbók is, ám ahelyett hogy teljes értékű lábat hoznának létre egy idő után elsorvadnak. Az említett kísérletsorozat során kiderült, hogy ez egyebek mellett azzal magyarázható, hogy a végtagbimbó legfőbb "szervező központjaként" működő apikális ektodermális redő (AER) csak időleges alakul ki, egy idő után eltűnik. További érdekesség, hogy a végtag polaritásának kialkulásában kulcsfontosságú ZPA sem jön létre. Ez utóbbi persze lehetne azzal is magyarázható, hogy amiután az AER már nem alakult ki, a későbbi hátsó végtagfejlődési folyamatokban zavartalanul felhalmozódhattak a mutációk, de ha a fosszíliákat is megnézzük, akkor más következtetésre jutunk.

Sokkal valószínűbb ugyanis, hogy a ZPA hatómolekulájaként működő Sonic-hedgehog koncentrációjának lassú csökkenése okozta a hátsó végtag elsatnyulását az évmilliók során. Majd, amikor a hátsó végtag jelentősége teljesen elvesztődött bekövetkezhetett az AER funkcióvesztése is.

Mint minden evodevos cikkben, itt is fontos hangsúlyozni, hogy a változások/mutációk nem elsősorban a gének fehérje kódoló régióiban történtek, hanem a gének expresszióját szabályozó DNS szekvenciákban. (Mivel ezek a gének rengeteg más fejlődési folyamatban is kiemelten fontosak, ez érthető is.) Ez viszont egyszerűbbé teszi, hogy időnként "visszafordíthatóvá" váljon a változás, és olyan bálnák szülessenek, amelyeknek jól látható lába van. Az ilyen rég "elfelejtett" fejlődési mechanizmusok újraéledése vezet az atavizmusok kialakulásához.

Bővebben:
Talk.Origins: The Origin of Whales and the Power of Independent Evidence
Thewissen labor | Edward Babinski honlapja
Carl Zimmer: At the Water's Edge

Előzmények:
„Kígyónak lábsó...” - Csökevény szervek 1. | Kilóg a kígyóláb
"... madaraknak fogsor" - Csökevény szervek 2. | Re: "...madaraknak fogsor"

Már a 19. században számos anatómus felfigyelt arra, hogy a csirkék embrionális fejlődése során átmeneti duzzanatok (papillák) jelennek meg a fejlődő embrió állkapcsán, amelyek sokban emlékeztetnek hüllő fogakra. Sőt, mint arról korábban már ejtettem szót, transzplantációs és más molekuláris kísérletek kimutatták, hogy a madarak szájában fellelhető szövetek megfelelő jelek esetén képes a fogképzés kezdeti lépéseit elindítani. Ez egy tipikusan olyan tulajdonság, amely alátámasztja a madarak evolúciós eredetét is, hiszen a paleontológiai leletek tanúsága szerint dino őseik kifejezetten jól fejlett fogazattal rendelkeztek.
Azért kanyarodnék vissza egy kortynyit a témához, mert a napokban jelent meg egy cikk [1], amely talán az eddigi legelegánsabb bizonyítéka a madarak fogképzési képességeinek. Az már korábban ismert volt, hogy a talpid (ta²) nevű mutáns csirkevonal számos végtag illetve csőr rendellenességet mutat [2], amelyek oka (bár a mutáció pontos mibenléte még nem ismert) részben a megnövekedett sonic-hedgehog (shh) expresszióban kereshető. Mivel a mutáció embrionális-letális, azaz a csirkék többsége még a fejlődés korai szakaszában a tojásban elpusztul, kevés megfigyelés született arról, hogy a szóbanforgó genetikai rendelleneség mivel jár későbbi fejlődési szakaszokban. Az említett tanulmány szerzői ezt a hiányt pótolták be. Mint kiderült, a ta² csirkék állkapcsán olyan kinövések jelentek meg, amelyek mind kinézetükben, mind az általuk expresszált gének tekintetében a krokodilok "első generációs" fogaira emlékeztetnek (a krokodiloknál két hullámban keletkeznek fogak: a második hullámban, nagyon hasonlóan az emlős fog kialakulásához, a hámszövet invaginációjával (betüremkedésével), ellenben az első hullámban ugyanezen szövet kitüremkedése hozza létre a fogakat). S mivel a ta² mutáció eredményeként az orális és aborális epitélium határa eltolódik, feltételezhető, hogy a madarak fogatlansága arra vezethető vissza, hogy az orális és aborális epitélium határán levő jelközpont és az általa "kibocsájtott" jelekre érzékeny mezenchyma, elmozdult egymás szomszédságából, vagyis hiába indul el a fogkialakulás első lépése, a környezetben levő szövetek nem kompetensek a jel feldolgozására, így a folyamat hamar megszakad. (Ez a model egyszersmint arra is magyarázatot ad, hogy miért lehetséges, hogy a fogkialakulás számára fontos mindkét szövet, az epitélium és mesenchyma külön-külön kompetensenek mutatkozik fogképzésre, ám az elő csirkékben a folyamat mégsem következik be.)

[1] Harris, MP, Hasso, SM, Ferguson, MWJ, and Fallon, JF (2006) The Development of Archosaurian First-Generation Teeth in a Chicken Mutant. Current Biology 16: 371-377.
[2] Schneider, RA, Hu, D, Helms, JA (1999) From head to toe: conservation of molecular signals regulating limb and craniofacial morphogenesis. Cell Tissue Res 296: 103–109.

Előzmény: "...madaraknak fogsor" - Csökevény szervek 2.