tg-cbmass-20121025

Ami elromolhat, az el is romlik, tartja Murphy örökbecsűje, és természetesen ez igaz az élővilágra vonatkoztatva is. Azzal a kitétellel megtoldva, hogy a szelekció szigorából csak olyan dolog szabadulhat ki (vagyis romolhat el, a fitnessz vészes lecsökkenése/megszünése nélkül), amit az élőlény már nem, vagy nem nagyon használ.

Ilyenek például természetesen örök kedvenceink, a csökevényszervek, vagy ezek DNS szintű analógjai, a pszeudogének.

Amikor utóbbiakról egy átfogó poszt keretében szót ejtettem anno, már említettem, hogy a legszebb példák egyike a szaglóreceptorokhoz (olfactory receptors - OR) tartozik.

Az emberben, és tágabb rokonságában, az óvilági majmokban, ez a receptorcsalád durván pszeudogenizálódott (vagyis számos OR gén, bár felismerhető a szekvenciában, de nem működőképes). Ez azért különösen feltűnő, mert a másik nagy "majomcsaládban", az újvilági majmokban (ill. az emlősökben általában) az OR géneknek igencsak fontos szerepük van  és a szelekciós nyomás nem engedi, hogy mutációkat halmozzanak fel. Az egyetlen, de mint mindjárt látni fogjuk, instruktív kivétel a bőgőmajom (howler monkey), amely esetében szintén megugrott az OR pszeudogének száma.

Mi a közös a bőgőmajmokban és az óvilági majmokban, ill. hogyan különböznek ezek a többi újvilági majomtól? A kulcsjelleg ezúttal valószínűleg a színlátás fejlődése. A mellékelt törzsfán piros vonal vezet mindazokhoz a fajokhoz, amelyek három, különböző hullámhosszra érzékeny opszin gént hordoznak, így trikromatikus színekben látják a világot (az emlősök esetében az alapállapot a két opszin gén).

Ennek a jellegnek az adaptív funkcióját akkor érthetjük meg jobban, ha egy kicsit belegondolunk egy átlagos majomfaj táplálkozási szokásába: a menü jelentős részét gyümölcsök teszik ki. Egy gyümölcs érettségi fokát pedig vagy szagán vagy színén keresztül lehet megítélni. Így azokban a fajokban, amelyekben az egyik opszin gén duplikációja révén kialakulhatott a trikromatikus látás, már nem volt annyira létfontosságú a kifinomult szaglás, így az OR gének jelentős százaléka fokozatosan mutálódni kezdett, s végül működésképtelenné vált. (Az újvilági bőgőmajmok saját csoportjukban egyedülálló nonkonformizmusa mind a színlátás, mind a szagreceptorok pszeudogenizálódása terén különösen szemléletessé teszi a példát.)

A színlátás minőségbeli ugrása persze csak az egyik potenciális út az OR gének nélkülözhetősége válása felé. Egy másik az olyan közegbe való átszokás, ahol eleve nincs szükség egy széles OR-repertoárt kihasználni.

A fenti ábra az OR gének családfáját szemlélteti, azt ábrázolva, hogy az egyes OR gén-alcsaládok tagjai milyen fajokban jelentek meg először. (Ez az "először"persze relatív, itt azt jelenti konkrétan, hogy a rendelkezésre álló mely genomokban találjuk meg őket, és ebből következtetünk az evolúciós eredetükre.) Jól látható, hogy a szárazföld meghódítása a négylábú gerincesek által a gének számában hatalmas ugrást jelentett, aminek az a racionális magyarázata, hogy sokkal több szagmolekula tud a levegőben "közlekedni", mint a vízben. Megfordítva a logikát, ennek alapján azt gondolhatjuk, hogy az olyan fajokban, amelyek "visszaköltöztek" a vízbe, hirtelen sok szaglóreceptor fölösleges lett (hiszen a közeg miatt sosem találkozhatott az állat azokkal a szagmolekulákkal, amelyek az adott OR-t aktiválják), és hát mint már említettem, ami elromolhat, az jó eséllyel el is romlik...

A két adódó példa közül az egyik a ceteké. Egy átlagos cet OR génjeinek közel hetven százaléka pszeudogén, míg a szegről-végről rokon  szervasmarháknál ez az arány húsz százalék van.

A ragadozó tengeri oroszlánok negyven százalékos pszeudogén aránya ennél azonban jóval szerényebb, különösen, ha a kutyák 26.6%-hoz hasonlítjuk (bár a kutyák esetében ez a szám bő nagyságrenddel több aktív receptort takar), aminek az a valószínű magyarázata, hogy bár ezek az állatok a vízben vadásznak, de életük jelentős részét (az utódnevelésre való különös tekintettel) a szárazon töltik, így számukra nem indifferensek a levegőben terjedő szagok.

A vízi életmód és az OR pszeudogének közti összefüggésre adódó másik példa a tengeri kígyók esete.

Ahogy a cetek, ezek az fajok is szárazföldi ősökből alakultak ki. Jelenleg két bővebben vett csoportba oszthatók: az egyikbe azok a fajok tartoznak, amelyek egész életüket a vízben töltik le, és elevenszülők (vagyis még szaporodáshoz sem kell a partra kúszniuk) - ezeket a szaknyelv vivpar fajoknak nevezi -, a másikba azok tartoznak akik életük jelentős részét a tengerben töltik, de azért tojással szaporodnak és tojás rakáshoz bizony kimennek a partra (ovipar fajok).

Az életmódokból adódó analógia a két csoport ill. a cetek meg a tengeri oroszlánok közt így jól láthatóan dobja magát, és a hasonlóság az OR pszeudogének arányára is kiterjed: a vivipar tengeri kígyó fajok szaglóreceptor génjeinek kb. 40%-a működésképtelen, míg az ovipar fajok esetében ez az arány alig több, mint a szárazföldi fajok szűk tíz százaléka (az alábbi ábrán a körök a teljes OR génállományra vonatkoznak, a háromszögek, pedig a Colubroidae szupercsaládra jellemző OR gén-alcsalád nélkül).

Gilad Y, Przeworski M, Lancet D. (2004) Loss of olfactory receptor genes coincides with the acquisition of full trichromatic vision in primates. PLoS Biol 2(1): E5. doi: 10.1371/journal.pbio.0020005
Kishida T, Kubota S, Shirayama Y, Fukami H. (2007) The olfactory receptor gene repertoires in secondary-adapted marine vertebrates: evidence for reduction of the functional proportions in cetaceans. Biol Lett 3(4): 428-30. doi: 10.1098/rsbl.2007.0191
Kishida T, Hikida T. (2009) Degeneration patterns of the olfactory receptor genes in sea snakes. J Evol Biol doi: 10.1111/j.1420-9101.2009.01899.x

Pontosítás végett nem fosszíliákban levő génekről lesz szó (bár az is nagyon érdekes), hanem olyan DNS szakaszokról, amelyek nagyon is hús-vér élőlényekben fordulnak elő. S bár szekvenciájuk, ill. szerkezetük alapján könnyedén azonosítható, hogy ezek milyen gének lennének, a bennük levő, évmilliók alatt felgyülemlett mutációk működésképtelenné tették őket, így (ha naggyon költői akarok lenni) ma már csak önmaguk árnyékaként tengődnek a kromoszómákon. Ezeket a nukleinsav darabokat nevezzük hát "fosszilis"-, vagy egyszerűbben pszeudogéneknek.

Mivel a pszeudogének (talán fölösleges is hangsúlyozni) értelemszerűen egy távoli ősben nagyon is működőképesek voltak, puszta létük egyszerre két fontos dolgot is bizonyít: az élőlények közös leszármazását (hiszen egy "intelligensen tervezett" szervezetbe, minek tennénk működésképtelen génszakaszokat...?), valamint azt, hogy csak azok a DNS szakaszaink mentesek a változástól, amelyek fontosak és megváltozásuk az élőlényt igencsak hátrányosan érintené. Egyébként, "ami elromolhat, az el is romlik".

A fent megfogalmazottak persze azt is jelentik, hogy pszeudogének akkor jöhetnek létre, amikor egy-egy specifikus sejtcsoport/szövet/szerv elveszti a funkcióját. A legjobb példa erre, gondolhatnánk józan paraszti ésszel, a csökevény szervek lennének, de azért a helyzet ennél bonyolultabb. Például kígyók esetében a végtagelvesztést nem kísérte a végtagfejlődésben szereplő gének pszeudogénesedése, hiszen ezek a gének (illetve termékeik) még számtalan más funkcióval rendelkeznek, így nem nélkülözhetőek. Max. a végtagspecifikus szabályozószekvenciáik degenerálódhattak, ami persze a mi sztorink szempontjából közel sem ugyanaz.

Azaz pszeudogének vadászata közben olyan génekre kell leszűkítsük a keresőképünket, amelyek igen specifikusan csak egy-egy funkcióval rendelkeznek, és ez a funkció egyes fajokban megszűnt. Ez nagyon rejtélyesen hangozhat, így inkább gyorsan ugorjunk konkrét példákra.

1.) A sziláscetek legnevezetesebb "része" a szájukban lógó és a plankton kiszűrését végző szila-együttes. Persze nemcsak az a jellegzetes, ami van nekik, hanem az is, ami nincs: ez pedig (a hátsó végtag mellett) egy rendes fogsor. Bár a szilák kialakulása evolúciósan ill. fejlődéstani szempontból még nem teljesen tisztázott (ami nem csoda, hiszen finoman szólva sem triviális szürkebálna embriókat beszerezni...), , a szilásceteket összevetve közeli rokonaikkal, az ámbrás cetekkel, vagy delfinekkel, kézenfekvő azt a következtetést levonni, hogy ez a folyamat "mellesleg" a fogazat elvesztésével járt. Ez persze nem váratlan, hiszen foggal nem lehet kiszűrni a planktont, így aztán elvesztése sem jelenthetett túl nagy veszteséget a sziláscet-ősnek (feltéve, persze, ha már volt szilája...).

Mindenesetre a fogfejlődésben van néhány nagyon specifikus gén, ami csak ebben a folyamatban szerepel, pl a zománc kialakításában is részt vevő enamelin és ameloblasztin. Mint arra nemrég fény derült, mindkét fehérjét kódoló gén (ENAM és AMBN) pszeudogénesedett a szilascetek csoportjában: szekvenciájuk az fellelhető, de a mutációk miatt arról működőképes fehérje már nem jöhet létre. Ezzel szemben, a fogfejlődésen kívül még más funkciókat is betöltő DMT1 gén (dental matrix protein 1) "él" és virul, pont ahogy a felvezetőben vázolt logika diktálná.

2.) A jéghideg antarktiszi vizekben élő különleges jéghalak talán legfurcsább tulajdonsága, hogy fehér a vérük. Mindez annak "köszönhető", hogy nincsenek vörösvérsejtjeik, és szöveteik a környező oxigéndús vizekből beoldódó oxigént használják anyagcsere folyamataikhoz. Így persze a más fajokban a gáz molekulák szállítására szakosodott hemoglobint alkotó, α- és β-globin molekulák is elvesztették a fontosságukat - és mint az gondolom már nem annyira meglepő, az őket kódoló gének is "fosszilizálódtak".

3.) Az ember és emberszabású majmok trikromatikus látása az élővilág teljes egészében nem, de az emlősök közt annál inkább különlegesnek számít. Mégpedig azért, mert az evolúciójuk hajnalán az emlősök (feltehetőleg az éjszakai életmódhoz való alkalmazkodás során) elvesztették több opszin génjüket is, s így aztán egy kutya vagy egy egér csak dikromatikus látásra képes (vagyis az általa érzékelt színskála csak vörösből és kékből "keveredik" ki).

Az emberszabású majmok kialakulása közben az egyik megmaradt opszin-gén duplikációja , majd változása következtében, kialakul egy zöld fényt is érzékelő opszin, így aztán mi a színskála lényegesen szélesebb spektrumával barátkozhatunk életünk során.

Ugyanakkor nem biztos, hogy az ebből a szempontból kevésbé "szerencsés" emlősök sokkal kevesebb információval rendelkeznek a világról: hiszen velünk ellentétben lényegesen jobb a szaglásuk. Illetve talán az a helyesebb, ha azt mondom, hogy a mienk lényegesen rosszabb: mert míg ugyanúgy kb. 1000 szag-receptor gént hordozunk a genomunkban, mint egy eb, a mi esetünkben ezek több mint fele pszeudogén, míg négylábú barátaink esetében ez az arány kevesebb mint 20%.

A két jelenség (trikromatikus látás kialakulása ill. szagreceptor-gének elsatnyulása) minden valószínűség szerint összefügg. A jobb látás kicsit fölöslegessé tette a hatalmas szagreceptor repetoárt, és így abból egy-két gén elvesztése nem érintette nagyon súlyosan az emberszabású őst, aki amúgy szín alapján is ki tudta már szúrni az érett gyümölcsöt.

Persze lehetünk szkeptikusak (sosem árt ;-)), és felvethetjük, hogy a két jelenség együttes megjelenése még nem kell ok-okozati viszonyt feltételezzen. Ennek a megvizsgálására az újvilági majmokhoz fordulhatunk: ezek többsége dikromatikus látással rendelkezik, egyetlen, annál árulkodóbb kivétellel, ez pedig a bőgőmajom (howler monkey). A bőgőmajmoknak ugyanis szintén trikromatikus látáshoz van szerencséjük, és amikor "belenéztek" a szagreceptoraikba, az derült ki, hogy azok lényegesen nagyobb százaléka működésképtelen, mint a közeli rokonaikban. Vagyis úgy tűnik, hogy többről van szó egyszerű egybeesésnél: az éles látás kiváltja az éles szaglást - mármint egy egy főemlős hétköznapjaiban.

4.) Az emlős (és így természetesen emberi) embriók érdekes tulajdonsága, hogy korai fázisukban egy-egy jellegzetes szikzacskóhoz kapcsolódnak (lásd mellékelt ábra jobboldali panelje). Ez a szerv igen fontos, hiszen a falaiban futó erekben zajlik az embrionális vérképződés első hulláma, ugyanakkor nem lehet nem észrevenni, hogy ez mégiscsak egy üres zsák.

Evolúciósan nézve ez messze nem volt mindig így, elég egy hüllő, vagy egy csirke embrióra (bal oldali panel) vetni egy pillantást: a tojással szaporodó fajokban a szikzacskóban a szikanyag található (na vajon honnan jött a neve ... ;-)), magyarán a tojás sárgája. Ez az a tápanyag, amiből az embrió fedezi kezdeti energiaszükségletét és lezavarja azt a rengeteg sejtosztódást, amelyek végén egy kis csirke bújhat ki a tojásból. Az emlősök, különösen a méhlepényesek és kisebb mértékben az erszényesek is, azonban új trükkökkel álltak elő. Ezek egyike a placenta, vagyis a méhlepény, amelyen keresztül az embrió kezdeti fejlődése során közvetlenül a szülő szervezetéből juthat a táplálékhoz, a másik pedig az anyatej, ami születés után lesz hosszabb ideig az elsődleges élelemforrás. És bár ezek elsődlegesen nem a szikanyag kiváltására "jöttek létre", hosszabb távon mégis ehhez vezettek.

A szikanyag fölöslegessé válása azzal is járt, hogy a szikanyagot kódoló ún. vitellogenin gének (VIT) - amelyekből az emlősök és madarak ill. hüllők közös ősében három is volt - lassanként pszeudogénekké váltak. Érdekes módon a folyamat viszonylag lassan ment végbe, olyannyira hogy minimum egy-két gén inaktiválódására a különböző emlős vonalakban (erszényes vs. méhlepényes), azok szétválása után párhuzamosan került sor.

Nade, hopp, szemérmesen hallgattam eddig a legkülönlegesebb emlősökről, a tojással szaporodó kloákásokról, ahova a mindenki kedvence kacsacsőrű emlős is tartozik. Ha a méhlepény léte váltotta ki a szikanyagot (ill. a VIT gének működőképességét), akkor mi is a helyzet velük?

Nos ez esetben, talán nem meglepő módon, az egyik VIT gén még minden jel szerint működőképes. Így aztán, bár a gén két társa mára már csak a "díszként" ül a genomban, annyi szikanyagot még képes az anya állat termelni, hogy a utódjait fejlődésük kezdeti szakaszán túllendítse. Aztán pedig itt is jöhet a már említett anyatej.

(Az illusztrációként felhasznált képek innen származnak: Nikon, Freshpics, Wikipedia.)

Brawand D, Wahli W, Kaessmann H (2008) Loss of Egg Yolk Genes in Mammals and the Origin of Lactation and Placentation. PLoS Biol 6(3): e63 doi:10.1371/journal.pbio.0060063
Deméré TA, McGowen MR, Berta A, Gatesy J (2008) Morphological and molecular evidence for a stepwise evolutionary transition from teeth to baleen in mysticete whales. Syst Biol 57(1): 15-37.
Near TJ, Parker SK, Detrich HW 3rd. (2006) A genomic fossil reveals key steps in hemoglobin loss by the antarctic icefishes. Mol Biol Evol 23(11): 2008-2016. doi:10.1093/molbev/msl071
Glusman G, Yanai I, Rubin I, Lancet D (2001) The complete human olfactory subgenome. Genome Res 11(5): 685-702.
Gilad Y, Wiebe V, Przeworski M, Lancet D, Pääbo S (2004) Loss of Olfactory Receptor Genes Coincides with the Acquisition of Full Trichromatic Vision in Primates. PLoS Biol 2(1): e5. doi:10.1371/journal.pbio.0020005