tg-cbmass-20121025

A csökevény szervekről szóló sorozat első részében a kígyók satnya végtagjait és a csökevényesség fejlődésbiológiai hátterét vettük górcső alá, most pedig, hogy a Doktor Bubó címdal lehetőségeit teljesen kiaknázzam, a madarak (nem létező) fogainak eredünk nyomába.

Persze, hogy megértsük, miért nincs foga a madaraknak, előbb azt kell röviden felvázolni, hogy más állatoknak (elsősorban egereknek) miért van. Az emlős fog a száj (orális) epitélium és az alatta fekvő, velősánc eredetű mesenchymális szövet kölcsönhatásának eredményeként jön létre (1. Ábra). Ez talán nem hangzik bonyolultan, de ha jól belegondolunk, fogsorunknak a szájban elfoglalt helyzete, az egyes fogak ezen belüli pozíciója, típusa és száma meglehetősen pontos pozícionális információt igényel, ami nagyszámú transzkripciós faktor kölcsönhatásával és átfedésével jön létre. (Akit esetleg érdekelnek a pontos részletek, annak az [1]-t ajánlanám a figyelmébe.) Ezen faktorok expressziójának változtatgatásával elérhető, hogy a pozicionális információ megváltozzon, s így vagy egyáltalán ne történjen az adott helyen fogképződés, vagy a létrejövő fog identitása megváltozzon (például egerekben metszőfogak helyett örlőfogak jöjjenek létre).

1. Ábra: A fogkialakulás kezdeti lépése az orális epitélium megvastagodása, majd betüremkedése az alatta fekvő velősánc eredetű mesenchymába. Ezt az utóbbi kondenzálódása követi, így létejön a fogbimbó. Az epitélium betüremkedése folytatódik, mígnem végül fokozatosan körbeveszi az összetömörülő mesenchymális sejteket. Az utóbbiakkal határos epiteliális sejtekből speciális, zománcot termelő ún. ameloblasztok jönnek létre, míg az epiteliális sejtekkel szomszédos mesenchymális sejtekből dentin termelő odontoblasztok keletkeznek.[1].

Az elfogadott okoskodás szerint a madarak ősei úgy 60-80 millió éve vesztették el a fogaikat, bár korai embrionális fejlődésük során megfigyelhető az emlős fogképződés kezdeti szakaszára emlékeztető epitélium megvastagodás. (Itt jegyezném meg a post legelején illusztrációként használt Archeopteryx koponya kapcsán, hogy minimum erősen vitatott, mennyiben is tekinthetők ezek a lények a mai madarak őseinek, bár kétségtelen, hogy számos cikk ezt készpénzként kezeli.) Hogy miért, ahhoz legegyszerűbb megint megnézni a már említett transzkripciós faktorok expresszióját a legkedveltebb madár „kísérleti nyúl”, a csirke egyedfejlődése során. Mint az kiderült számos fontos transzkripciós faktor (fgf8, pitx2, barx1, pax9) jelen van a megfelelő helyen és időben a csirke orális epitéliumjában, de néhány kulcsmolekula (bmp4, msx1, msx2) hiányzik ill. nem a megfelelő helyen van jelen. Ezek közül is talán az egyik legjelentősebb a bmp4, amely a csőr alakjának kialakításában is kulcsszerepet játszik (2. Ábra) és amely expressziója a szóban forgó területen alig észlelhető. Mivel mesterségesen adagolt BMP4 nemcsak a fogbimbóra emlékeztető struktúra kialakítását okozza, hanem a fogképződés során jellegzetes sonic-hedgehog (Shh) kifejeződését is indukálja, az egyik elfogadott nézet szerint a fog elvesztése a bmp4 szabályozásában bekövetkező változásnak köszönhető.[2]

Egy másik kísérleti eredmény azonban egy másik lehetőséget is felvet: egy kutatócsoport kicserélte a csirkeembriók orális mesenchymáját egérembriók megfelelő szöveteire (egész pontosan az orális mesenchyma kialakulásáért felelős velősáncot cserélték le), és fogakra igencsak hasonló képződmények kialakulására figyelt fel (2. Ábra) [3] (bár ezek pontos helyzetét nehéz meghatározni, hiszen a szövettranszplantáció eredményeként létrejövő kiméra eléggé amorf lényt hoz létre). Vagyis megfelelő körülmények esetén a csirkék száj-epitéliuma képes beindítani a fogképződés programját az alatta található mesenchymális szövetben, de valamiért a csirke mesenchyma nem fogékony ezekre az induktív jelekre. Felthetően mind ez, mind a BMP4 expresszió megváltozása oka, hogy a madaraknak nincsenek fogai, azonban, hogy melyik változás is volt előbb, az ma még igazi tyúk-tojás probléma. Hiszen ha egyszer valamilyen szabályozás elromlik és nem alakul ki a fogkezdemény, a fogkialakulás további lépéseiben fontos szabályozó szekvenciák is szabadon változhatnak, mivel ennek többé nincsen tétje. (Olyannyira így van ez, hogy bár az említett kísérletekben ahhoz nem fér kétség, hogy a fogképződés további lépéseit sikerült elindítani, tökéletes fog egyszer sem jött létre – bár kérdéses, hogy miként is nézne ki a madarak tökéletes foga ...)

2. Ábra: A csirkeembriók szájkezdeményének bizonyos részein az epitéliumban a bmp4 expressziója kevésbé intenzív, mint egerekben. (a, b). A csirke epitélium és egér mesenchyma kölcsönhatásának eredményeként fogszerű képződmények jönnek létre, és a betüremkedő (csirke) epitélium a fogképződésre jellemző cPitx2 faktort expresszálja (oe = orális epitélium, m = mesenchyma, t = fogszerű képződmény).

---

[1] Tucker A., Sharpe P (2004) The cutting-edge of mammalian development: how the embryo makes teeth. Nat Rev Gen 5: 499-508.
[2] Chen YP, Zhang Y, Jiang TX, Barlow AJ, St. Amand TR, Hu Y, Heaney S, Francis-West P, Chuong C-M, Maas R (2000) Conservation of early odontogenic signaling pathways in Aves. PNAS 97(18): 10044-10049.
[3] Mitsiadis TA, Cheraud Y, Sharpe P, Fontain-Perus J (2003) Development of teeth in chick embryos after mouse neural crest transplantations. PNAS 100(11): 6541-6545.

---

Előzmény: "Kígyóknak lábsó..." - Csökevény szervek 1.

Néhány hete már esett szó arról, hogy a di- és trinukleotid ismétlődéseknek (mikroszatellitáknak) milyen kulcsszerepe lehet az evolúciós folyamatokban. Az akkori postban utóbbiakra kerestem példát, bemutatva, hogy milyen hatása lehet annak, ha ezen ismétlődések száma a fehérjét kódoló DNS szekvencián belül változik. Azonban számos fajban a genomot alkotó DNS nagy része nem kódol fehérjéket, így logikus, hogy számos mikroszatellita növekedése vagy csökkenése nem érinti közvetlenül a kódoló régiókat. Érintheti ellenben az egyes gének szabályozó részeit, mint hamarosan kiderül.

Logikus okokból ahhoz, hogy a genomban megjelenő kismértékű változások és génexpressziós vagy viselkedésbeli különbségek között egyértelmű megfeleltetést találhassunk, arra van szükség, hogy a vizsgált egyedek közötti genetikai különbségeket minimalizáljuk, azaz ezek lehetőség szerint azonos vagy közeli rokon fajokhoz tartozzanak. Jó példa erre, hogy míg egyes amerikai egér (Microtus) fajok (pl. prériegér) életük végéig tartó monogám kapcsolatban élnek, addig közeli rokonaikra (hegyi egerek) ez egyáltalán nem jellemző, sőt előbbiekkel szöges ellentétben az apák egyáltalán nem vesznek részt az utódgondozásban. Azt már korai vizsgálatok kiderítették, hogy a két faj között az egyik különbség a vazopresszin-1a receptor (v1ar) expressziójában rejlik, s ennek egyik lehetséges oka a szabályozó régióban található mikroszatellita hosszában felfedezhető eltérés lehet (a szociális fajokban hosszabb, míg az antiszociális fajokban rövidebb). Mivel azonban a vizsgált fajok között természetesen más genetikai eltérések is voltak, nem lehetett kijelenteni, hogy a viselkedésbeli különbség teljesen egyértelműen ehhez a dinukleotida ismétlődéshez köthető-e.

1. Ábra: A v1ar gén szabályozó szekvenciájában egy mikroszatellita található.

A kutatók segítségére sietett azonban a természetes variabilitás, hiszen, mint kiderült, a prériegerek különböző földrajzi populációi között is megfigyelhetők különbségek a V1aR szabályozó szekvenciájának szóban forgó részében, még ha nem is annyira drasztikusak, mint az egyes fajok között. S így ennek segítségével természetesen ki lehetett szűrni a genetikai "háttérzajt" és azt vizsgálni, hogy milyen hatása van önmagában a mikroszatellita méretének a gén kifejeződési területére és az egerek viselkedésére.
2. Ábra: A hosszabb dinukelotida ismétlődést hordozó hím egerek gondosabbak az utódgondozásban, mint rövid ismétlődésű társaik.

Mint az kiderült, a hosszabb ismétlődéssel rendelkezo hímek sokkal szociálisabbak és szignifikánsan több időt töltenek mind párjukkal, mind az utódok pátyolgatásával, mint rövid ismétlődéssel rendelkező rokonaik (2. ábra). Sőt, a V1aR expressziója is különbözik az egyes példányok között (3. ábra), az egyik fontos különbség pont a rágcsálók viselkedése szempontjából fontos szaglógumóban figyelheto meg.

Ezen adatok miatt különösen érdekes lehet, hogy az emberi V1aR gén szabályozó részében négy mikroszatellita is található, amelyek közül ketto egy deléció következtében hiányzik a csimpánzokból, de jelen van a párkapcsolatuk szorosságáról ismert bonobókban. Sőt, néhány megfigyelés szerint valamiféle összefüggés létezhet az autizmus és az említett ismétlődések között. Természetesen óvatosan kell bánni a nagyívű következtetések levonásával, de érdekes további vizsgálatok tárgya lehet, hogy mennyiben befolyásolja a V1aR szabályozása az emberi interakciókat.

3. Ábra: A mikroszatellita hossz és a génexpresszió között erős összefüggés van. A hosszabb szekvencia intenzívebb expressziót okoz a szaglógumóban (B vs E) és a dorzolaterális septumban (dLS) (C vs F), két olyan agyi területen, melyeket korábbi megfigyelések a viselkedéshez kapcsoltak. Ugyanakkor egyes kortikális területeken és az amygdalában csökken az expresszió (D vs G).

---

Hammock EAD and Young LJ (2005) Microsatellite instability generates diversity in brain and sociobehavioural traits. Science 308: 1630-1634.

És most már papír is van róla. Néhány perce John E Jones II, a Kitzmiller vs Dover School Board per bírája közzé tette, az ítéletet (a teljes doksi - 139 oldal - itt érhető el). Talán a kulcsmegállapítása (az egészet nyilván még én sem olvastam):

"ID cannot uncouple itself from its creationist, and thus religious, antecedents."

A történet valószínűleg még nem ér véget, mert bár az új összetételű doveri iskolai tanács nem fogja megfellebbezni a döntést, Amerikáról lévén szó, amíg az ügy nem jut el a Legfelsőbb Bíróságig és az ID biológia órán való tanítása a "tudományos kreacionizmus"-hoz hasonlóan nem lesz megfellebezhetetlenül alkotmányellenesnek nyilvánítva, addig nem fognak lenyugodni a kedélyek. Addig is azonban ez egy szép karácsonyi ajéndék mindenkinek, aki számára valóban fontos a tudomány, a tudományos gondolkozás fejlődése. Kellemes Ünnepeket (mert korántsem biztos, hogy lesz időm addig újból posztolni ;-)))

Nahát igen, sajnos az MTI ill. a ráhivatkozó hvg.hu sem arról lesz híres, hogy a tudományos irományaik pontosságát gondosan ellenőrizzék, neagyisten, a tudományos szerkesztő elolvassa a szóbanforgó cikkeket, s ne csak unottan és szórakozottan másolgasson valami külföldi hírportál anyagából. (Csak tudnám, akkor vajon miért fizetik...?!?)
Szóval mint az igazából kiszámítható volt, örömmel lovagolták meg Ők is az előzőleg már kritizált "ezagénabőrszíngén" mániát, de ez még jelen esetben a kisebbik baj. A nagyobb ez itt:

"A genetikusok rákkísérleteket folytattak halakon, amikor felfedezték a kérdéses gént."

Mondjunk bombasztikusat, nem baj ha nem is igaz. Mint előző hozzászólásból is kitűnik erről szó sem volt. Egyszerűen egy hal pigmentáció mutánst vizsgáltak. Annyiban jött ide a melanóma, hogy valamelyik híradónak nyilatkozva Keith Cheng utalást tett arra, hogy egyszer majd akár ezzel is kapcsolatba hozható lesz a felfedezett gén.
Emellett valóban eltörpül, hogy Cheng-et "a Pennsylvaniai Egyetem orvosi karának rákszakértője"-ként aposztrófálják. Ezzel az a gondom, hogy a "Pennsylvaniai Egyetem" semmitmondó és félrevezető lehet. Pennsylvániában két nagy egyetem van (illetve van több is, de azok neve szempontjából a hír nem lenne félrevezető), az egyik az Ivy League-hez tartozó University of Pennsylvania (UPenn vagy Penn), amelyik egy Philadelphiában található magánegyetem, a másik pedig a Penn State, amely egy állami intézmény, több campusszal Pennsylvania szerte (ahol Cheng dolgozik, az a csokigyáráról híres Hershey-ben található). (Egyébként pont amiatt, hogy külföldiek gyakran keverik a két egyetemet, a UPennen gyakran lehet látni embereket "NOT Penn State" feliratú polóban.)

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.