tg-cbmass-20121025

A fehér ló regék és mítoszok visszatérő szereplője, mesebeli királyfik és valódi kormányzók választott hátasa. Pedig a fehér ló is csak ló, egyetlen különlegessége színében rejlik.

Hogy mi okozza ezt a színt, pontosabban színtelenséget, eddig kicsit rejtélyes volt, bár ahogy egyre többet tudtunk meg a pigmentáció biológiájáról, egyre közelebb kerültünk a megoldáshoz (na, meg persze az sem ártott, hogy a genom szekvenálás elterjedésével egyre egyszerűbb és gyorsabb lett viszonylag nagyméretű gének megszekvenálása is). Rendszeres olvasóimban már biztos felébredt a sanda gyanú, hogy a poszt csak egy újabb apropót kínál arra, hogy újabb bőrt húzzak le a testszín-meghatározásban kulcsfontosságú Mc1r receptorról, így gyorsan megnyugtatnék mindenkit, hogy (kivételesen) nem erről lesz szó ;-).

Persze, azért nem is megyünk nagyon messzire. Azokra a sejtekre koncentrálunk, amelyekben aztán az Mc1r kifejti jótékony (sötétpigment-szintetizáló) hatását. Ezek az ún. melanociták, a pigmentsejtek, amelyek fejlődésbiológiailag egy különleges sejtpopulációból származnak. A velőlécet (neural crest) a velőcső (neural tube) összezáródásakor a cső felett levő sejtpopuláció hozza létre. Ezeknek a sejteknek számos fontos feladatuk lesz: pl. a fejben a koponya egyes elemeit, illetve a hozzájuk kapcsolódó izmokat hozzák létre, de részt vesznek a fogak, a pajzsmirigy, a belső fül, a szem és számos ideg kialakulásában is. Ezek mellett szinte mellékesnek tűnik, hogy velőléc eredetű sejtek felelősek a színezet kialakulásáért is.

A velőcső fölül a lassanként differenciálódó sejtek, így a melanociták is fokozatosan, a testfal mentén lefelé vándorolnak, mígnem el nem érnek végleges helyükre (ezt mutatja a fenti ábra keresztemetszeti ábrázolásban). Ebben a folyamatban (illetve a pigmentsejtek életben maradásában) fontos szerepet játszik egy receptor molekula, amelyet a KIT gén kódol.

Persze előfordulhat az is, hogy a test legtávolabbi pontjaira (ez értelemszerűen a hasi oldalt jelenti van) már nem jutnak el a melanociták, ilyenkor egy jellegzetes fehér "mellény" alakul ki. Ha pedig a melanociták el sem indulnak, vagy menetközben elpusztulnak, akkor egyáltalán nem lesz pigmentáció, testszínezet. S ezzel kvázi le is lőttem a poént, hiszen a jelek szerint ez okozza a fehér lovak fehérségét is. Gyakorlatilag az összes vizsgált esetben (a Franches-Montagnes lovakat, az arab telivéreket, a camarillo fehér és Thoroughbred hátasokat vették górcső alá) a KIT gén különböző mutációira leltek, amelyek vagy működésképtelenné teszik a fehérjét, vagy csökkentik a működőképességét.

Érdekes, bár azért nem meglepő, hogy a lovak nincsenek egyedül ezzel a típusú albinizmussal, hiszen a KIT gént már korábbi vizsgálatok összekapcsolták az emberi piebaldizmus egyes formáival, illetve egér szőrszín mutációkkal is.

Haase B, Brooks SA, Schlumbaum A, Azor PJ, Bailey E, et al. (2007) Allelic Heterogeneity at the Equine KIT Locus in Dominant White (W) Horses. PLoS Genet 3(11): e195 doi:10.1371/journal.pgen.0030195
Steingrímsson E, Copeland NG, Jenkins NA (2006) Mouse coat color mutations: From fancy mice to functional genomics. Dev Dyn 235(9): 2401-2411.

Hát akkor ismét szőrszín, mert ez (szinte) kifogyhatatlan téma, már csak azért is, mert a laikusok számára is evidens, könnyen érzékelhető változásról van szó.

A természetben a legkülönbözőbb állatokban megfigyelhető egyik leggyakoribb változás a teljesen fekete (ún. melanizált) formák megjelenése. A dolog érdekessége, hogy a fajok elsöprő többségében, két gén, a melanocortin-1 receptor (mc1r) és az agouti mutációja felelős a melanizált fomrák kialakulásáért (és, ami azt illeti, sok más szőrszínváltozat kialakulásáért is). Épp ezért keltett feltünést, amikor pár éve a genetikai vizsgálatok kiderítették, hogy a kutyák esetében a fekete szőrszínt nem ezek a gének okozzák, hanem valami más, egy misztikus K lókusz.

A K lókusz molekuláris mibenléte sokáig homályban maradt és csak a napokban derült fény arra, hogy β-defensin génről van szó. Ez első blikkre finoman szólva is meglepő, hiszen a defensineknek az immunválaszban van jól dokumentált szerepe és nem a szőrszín kialakításában, így aztán jópár kísérletet kellett elvégezni ahhoz, hogy kiderüljön, miként is keletkeznek a fekete ebek.

Megnyugtató módon, már a legelején tisztázódott, hogy valami úton-módon, a β-defensin is a klasszikus, Mc1r függő jelátviteli útvonalba szól bele. Sőt, kitartóbb vizsgálódás azt is bizonyította, hogy a fehérje fekete szőrszínt okozó formája erősen tud magához a receptorhoz kötődni, aktivizálva a fekete pigment szintézisét katalizáló folyamatokat. Mindez szép, logikus és kerek, de van egy bökkenő: a β-defensin gén "normál" (nem fekete színt okozó) verziója is képes hasonló erősséggel a receptorhoz kötődni, azaz a kapcsolat puszta ténye önmagában nem lehet a válasz.

Hogy ne sokat kerteljek, a lényeg úgy tűnik a β-defensin fehérje molekulák mennyiségén van. Ugyanis a gén "fekete" alléljáról átíródó mRNS-ből több lesz a sejtben, mint a normál allélról átíródóból (ergo több fehérje is készül belőle) és ez épp elég az útvonal felpörgetéséhez. (Ha a normál allélból készíttetünk a sejttel többet, akkor az szintén fekete színt idéz elő.)

Persze azt még jó lenne tisztázni, hogy a természetben pontosan miért van kölcsönhatás a melanocortin receptorok és a defensin fehérjék között, mert ez továbbra is rejtély maradt...

Candille SI, Kaelin CB, Cattanach BM, Yu B, Thompson DA, et al. (2007) A β-Defensin Mutation Causes Black Coat Color in Domestic Dogs. Science doi: 10.1126/science.1147880

Úgy tűnik, hogy hirtelen nagyon trendi lett neandervölgyi géneket vizsgálni, hiszen a múlt heti "beszéd-génes" cikk után, a Science-ben most az egyik szőrzetszínt befolyásoló génnek (mc1r) estek neki.

Az érdeklődés persze nagyon is indokolt, hiszen a H. neanderthalis a legközelebbi (bár már nem élő) rokonunknak tekinthető, így aztán génjeinek vizsgálata jó eséllyel választ adhat arra, hogy mi az ami konkrétan a mi fajunkat egyedivé teszi. Ugyanakkor, mint ez az aktuális cikkből is kiderül, a közeli rokonság egyben technikai buktatót is jelent. Az ősi csontok vizsgálata során mindig komoly gondot jelent a modern "szennyeződés", vagyis a csontokat feltáró és kezelő régészektől származó DNS szennyeződés, ugyanis ez gyakran félrevezetheti a később vizsgálódó genetikusokat. Épp ezért egy-egy gén vizsgálatakor csak akkor lehetnek a kutatást végzők biztosak abban, hogy valóban egy ősi gént leltek, ha az minimum egy bázisnyi különbséget tartalmaz a modern emberi génekhez képest. A teljesen azonos szekvenciáknál ugyanis a mai módszerekkel nem dönthető (még) el, hogy valóban megegyező szekvenciákkal állunk szemben, vagy pechünkre a genetikai szennyeződést vizsgáljuk.

A szóbanforgó cikkben viszgált MC1R receptorról már esett korábban is szó (még paleogenomikai kontextusban is), s mivel ez a gén felelős leginkább az emlősök körében tapasztalható szőrszínvariációkért, logikusnak tűnik a vizsgálata, ha valaki arra kíváncsi, hogy esetleg voltak-e világos színkomplexiójú egyedek a neandervölgyiek között.

Működése során az aktiválódott MC1R egy apró jelátvivő molekula, a cAMP szintjét növeli meg, és ez vezet majd ahhoz, hogy a sárga/vörös pigment helyett fekete pigment keletkezzen. Épp ezért, ha az MC1R nem működik teljes gőzzel, világosabb vagyis szőkés/vöröses szőr- ill. hajszálak jönnek létre.

A neandervölgyi mc1r különlegessége, hogy bizonyos esetekben a jelek szerint egy olyan jellegzetes mutációt hordoz(ott), aminek a következtében, működésbe lépésekor a cAMP koncentráció nem éri el azt a szintet, amit a sötét hajú emberekben figyelhetünk meg. Érdekes módon, ez nem azért van (volt), mert a receptor kevésbé hatékony, hanem mert (pontosan nem tisztázott okok miatt) eleve kevesebb mutáns receptorfehérje jut el a sejtek belsejéből a felszínükre. A végeredmény szempontjából azonban ez mindegy és a létrejövő alacsonyabb cAMP szint megegyezik azzal, amit vöröshajú emberekből izolált MC1R hoz létre - azaz jó eséllyel feltételezhető, hogy az ősi neandervölgyiek kb. 1%-a vörös fej- és arcszőrzettel büszkélkedhetett.

Lalueza-Fox C, Römpler, H, Caramelli D, Stäubert C, Catalano G (2007) A Melanocortin 1 Receptor Allele Suggests Varying Pigmentation Among Neanderthals. Science doi: 10.1126/science.1147417

A jelek szerint a történelem valóban ismétli önmagát, különösen ha a szőrszín megváltozásáról van szó.

Az emlősök között egy Arizonában élő egérfaj (Chaetodipus intermedius) a klasszikus példa arra, hogy a szőrzetszín miként alkalmazkodik a környezethez. A sziklák között élő egér természetes színe a barnás-szürke, de azok az egérpopulációk, amelyek a környéken több helyen előforduló, sötétszínű, megkövesedett láva-folyamok környékén élnek a fekete szőrzet szín dominál. Ennek adaptív hasznát könnyű belátni, hiszen a ragadozók könnyebben kiszúrnak egy barna egeret a fekete környezetben, mint egy ugyancsak feketét.

A bundaszín változás különböző fekete-populációk esetében általában különböző génre vezethető vissza, azonban az egyik esetben a melanocortin-1-receptor (mc1r) génben következett be a változás. Normális esetben ennek a receptornak csak olyan területeken aktivizálódik, ahol pl. később egy sötét színű folt alakul ki az állat szőrzetében, ezeken a helyeken serkentve egy sötét színű pigment, az eumelanin termelését. A fent említett populációban azonban egy olyan mutáció következett be a génben, amely miatt a receptor folyamatosan aktív lett, így aztán az egeret (többé-kevésbé) egyenletes fekete színű bunda borítja.

Ebben a példában az mc1r mutációját az teszi különösen érdekessé, hogy sok más állat (jaguár, jaguarundi, aranyfejű oroszlán tamarin) sötét színű, azaz melanizált, természetes populációiban ugyancsak ez a gén változott meg (akárcsak számos háziállat esetében).

Ha az MC1R túlságosan aktív akkor az állat besötétül, de mi lesz akkor, ha egy olyan mutáció jelenik meg, amelynek következtében a receptor elveszíti aktivitását? A válasz logikus: világosabb bundájú populációk születhetnek (már ha a természetes szelekció nem lép csúnyán közbe). Például a fekete medve egyes egyedei nevüket meghazudtolva világos bundában pompáznak - a ludas (ennyi felvezetés után már nem nagyon meglepő módon) az mc1r-t inaktivizáló mutáció. De hasonló okra vezethető vissza egyes lovak, vagy éppen emberek vöröses szőrzete is.

Az mc1r-szőrzet szín témakörben két újabb példa az eheti Science hasábjain látott napvilágot. Az egyik ismét amerikai egerekhez kapcsolódik: ezúttal a Mexikói öböl partján lakó, floridai parti egereket (Peromyscus polionotus) vizsgáltak a kutatók. A parttól távolabb fekvő területeken élő egerek sötétes színezettel rendelkeznek, a parti homokos fövenyen futkározók azonban homokszínű, világosabb bundát viselnek. Mint arra fény derült, ez esetben a világos szín kialakulásában több gén is szerepet játsizk, de ezek közül az egyik legfontosabb (a jelleg kb. 26%-áért felelős) ismét csak az mc1r. Egy olyan mutáció következett be a génben ezúttal, ami egy aminosav megváltozását okozta (Arg⁶⁵Cys), ez pedig azzal járt együtt, hogy a receptor aktivitása lényegesen lecsökkent, vagyis kevesebb sötét pigment termelődik. (A tényszerűség kedvéért, ua. egérfaj atlanti partokon élő világosabb populáció esetében az okok máshol keresendők, mert azokban az egérpopulációkban nincs jelen ez a mutáció - lásd alábbi ábra, ahol a kördiagrammok fehér része jelképezi a gén mutáns alléljának előfordulási gyakoriságát -, azaz ott más változások miatt világosodtak ki az egerek).

S, hogy történetünk valóban kerek legyen, egy másik kutatócsoport mamut géneket próbálva szekvenálgatni, az egyik mintájukban épp az mc1r-t vették górcső alá. Meglepetésükre, a vizsgált minta egykori tulajdonosa heterozigóta volt erre a génre nézve, azaz a gén különböző példányát hordozta - mit ad az ég, az egyik a parti egerekben is jelen levő ciszteint kódolta az MC1R homológ pozíciójában, a másik pedig sötétebb egerekre is jellemző arginint. Rekonstruálva a szóbanforgó allélok által kódolt fehérjéket, kiderült, hogy míg az utóbbi receptor teljesen funkcionális, addig az előbbi, hasonlóan az egerekéhez, nem az. Vagyis az egykori szőrös-ormányos óriások populációiban egyszerre voltak jelen "szőke" és "barna" példányok. Csak míg a láva folyásokon élő fekete egerek, ill. a homokon futkározó világosbarna rokonaik esetében értjük, hogy mi lehetett a változás adaptív oka (miért hasznos épp ott, épp olyan bundában lenni), addig a mamutok esetében ez feltehetően örök rejtély marad (persze az is lehet, hogy sem előnye, sem hátránya nem volt szőke mamutnak lenni - akkor még vicceket sem meséltek szőke mamutlányokról -, a mutáció semleges volt és véletlenszerűen rögzült).

Majerus, ME, Mundy, NI (2003) Mammalian melanism: natural selection in black and white. Trends in Gen 19: 585-588.
Hoekstra, HE, Hirschmann, RJ, Bundey, RA, Insel, PA, Crossland, JP (2006) A Single Amino Acid Mutation Contributes to Adaptive Beach Mouse Color Pattern. Science 313: 101-104.
Römpler, H, Rohland, N, Lauleza-Fox, C., Willerslev, E, Kuznetsova, T, Rabeder, G, Bertranpetit, J, Schöneberg, T, Hofreiter, M (2006) Nuclear Gene Indicates Coat-Color Polymorphism in Mammoths. Science 313: 62

Miért különbözik egyes emberi csoportok bőrszíne? Nyilván nem azért alakult így, hogy hosszú évszázadokon keresztül, a "mi" és "ők" kategóriák fenntartóinak munícióként szolgáljon, mert a természet nem foglalkozik ilyen hülyeségekkel. Annak, hogy különböző éghajlatokon különbözik az egyes emberek bőrszíne, kőkemény élettani okai vannak. Azokon a területeken, ahol erősen süt a nap és nagy az UV-A sugárzás a fekete bőrszín kiszűri a DNS-ben kárt okozó napsugarakat (éppen ezért sokkal alacsonyabb ezeken az égöveken a sötétbőrszínüek körében a bőrrák aránya), illetve megvédi a lebomlástól a DNS szintézishez fontos folát nevű molekulát. Ugyanakkor a napfénynek nemcsak káros hatása van, hanem nagyon fontos a D-vitamin szintéziséhez, ezért mérsékelt égöveken, ahol a napfény nem annyira erős, a világos bőrszín sokkal több előnnyel jár. A bőrszín egy melanin nevű pigmenttől függ, amelyet a bőrben található sejtek, a melanociták termelnek speciális sejtorganellumaikban a melanoszómákban (világos bőrű emberekben ennek a termelésnek a beindulásához erős napsütésre van szükség, ezért "barnulunk" le a tengerparton). A bőrszínek közötti eredendő különbség ezen melanoszómák számából és nagyságából ered.

Annak ellenére, hogy a bőrpigmenttáció sejttani alapjairól sokat tudunk, a genetikai háttér elég homályos. Eddig főként a melanocortin-1 receptor (MC1R) fehérje szekvenciája és a bőrszín között írtak le összefüggést [1], most azonban egy újabb gént lehet a listához adni (a jól csengő és könnyen megjegyezhető slc24a5-ről van szó) és ezúttal némi funkcionális adatsor is alátámasztja ezt a megfigyelést [2].
A felfedezés egy zebrahal mutánsnak köszönhető, amely a narancssárgás színe miatt a golden keresztnévre hallgat. Ha hinni lehet a szakmabeli pletykáknak, Keith Chang csoportja közel tíz éve klónozgatta a mutációt okozó gént, míg végül siker koronázta törekvéseiket, olyannyira, hogy az eheti Science címlapjáig (majd onnan a vezető hírportálokig) jutott az eredményük.

1. Ábra: A golden zebrahalak bőrében kisebb és halványabb melanociták találhatók (A,B). [2]

A golden zebrahalak pigmentációjának hibája ahhoz vezet, hogy a melanocitáik kisebbek és halványabbak, bennük kevesebb melanoszóma van (naná, hogy jó modellnek tűnt az emberi bőrpigmentáció tanulmányozásához is) (1. Ábra). Mint azt a hosszas klónozás eredménye kiderítette, a mutációt egy iontranszporter, a már említett SLC24A5 szekvenciájának megváltozása okozza, amely egy diszfunkcionális (és ezért még mRNS korában lebomló) fehérjét hoz létre. Maga az iontranszporter a sejt belsejében található, feltételezhetően a melanszómához tartozó membránokban mutatható ki, s a Ca²⁺ ionok bejutását segíti elő az említett sejtstruktúrába, illetve szerepe lehet a melanoszóma pH-jénak szabályozásában is. (Mivel ez a két esemény fontos a melanoszóma enzimjeinek működéséhez, könnyű levonni a következtetést, hogy mivel jár, ha a transzporter nem működik.)

Ami igen érdekes, hogy a mutációt ellensúlyozni lehet, nemcsak a normális zebrahal slc24a5 gén mRNS-ének a halembrióba való bejuttatásával, hanem a humán megfelelővel is, ami azt sugallja, hogy az emberekben a gén igen hasonló funkciókat tölthet be. Ez vezetett oda, hogy a kutatók az emberi genetikai állomány variációit feltérképező Hap-Map Project segítségével elkezdték vizsgálni, hogy van-e összefüggés a gén variációi és a bőrszín között. Egyetlen nukleotida különbséget fedeztek fel, amely a fehérje szinten egy aminosav (Ala->Thr) cseréjét okozta. Míg a 111. aminosavpozícióban levő ősibb alanint (Ala¹¹¹) kódoló szekvencia 93-100% arányban szerepelt az afrikai-, indián-, vagy kelet-ázsiai származású mintákban, addig az újkeletű threonint (Thr¹¹¹) kódoló DNS 98.7-100%-ban dominálta az európai genetikai állományokat.
Remélem ezen a ponton egy kicsit mindenki felkapta a fejét, hiszen a fent leírtak alapján ez nem lehet "A" bőrszín gén, hiszen az ősibb variáns jelen van a világosabb bőrű kelet-ázsiaiakban is. Való igaz (épp ezért igen bosszantó, újságírói slendriánság, hogy a főbb újságok és portálok már-már úgy aposztrofálták a hírt, mintha a bőrszínt kódoló egyetlen génről lenne szó), de nem is meglepő, hiszen a bőrszín tipikusan több gén által kódolt, ún. multigénes tulajdonság, nem véletlen hogy igen sok bőrszín árnyalat létezik. Az azonban bizonyítható, hogy az SLC24A5 polimorfizmusának köze van a bőrszínhez: összehasonlítva különböző populációkban a bőrszínárnyalatokat, egyértelműnek tűnik, hogy a sötétebb szín az ősi allélal van kapcsolatban. Sőt kis statisztikázással azt is kihozták a mintákból, hogy az iontranszporter gén polimorfizmusa, az európai-afrikai bőrszínkülönbség kb. 25-38%-áért felelős. Az azonban sajnos nem derül ki, hogy az említett emberi polimorfizmus milyen funkcionális következménnyel jár. Míg a zebrahal esetében egyértelmű, hogy a pigmentáció eltérést a mutáns esetében fehérjét kódoló mRNS gyors lebomlása okozza, addig az emberekben nincs ilyesmiről szó, csak egy kisebb szekvenciaeltéres figyelhető meg a különböző bőrszínű egyének esetében. Ez valószínűleg az SLC24A5 működésére van kihatással, de hogy pontosan mi történik az még a jövő zenéje.

[1] Harding RM, Healy E, Ray AJ, Ellis NS, Flanagan N, Todd C, Dixon C, Sajantila A, Jackson IJ, Birch-Machin MA, Rees JL. (2000) Evidence for variable selective pressures at MC1R. Am J Hum Genet. 66(4): 1351-1361. Epub 2000 Mar 24.
[2] Lamason RL, Mohideen MA, Mest JR, Wong AC, Norton HL, Aros MC, Jurynec MJ, Mao X, Humphreville VR, Humbert JE, Sinha S, Moore JL, Jagadeeswaran P, Zhao W, Ning G, Makalowska I, McKeigue PM, O'donnell D, Kittles R, Parra EJ, Mangini NJ, Grunwald DJ, Shriver MD, Canfield VA, Cheng KC. (2005) SLC24A5, a putative cation exchanger, affects pigmentation in zebrafish and humans. Science 310: 1782-1786.