tg-cbmass-20121025

A kétoldali szimmetriájú állatok két nagy csoportra oszlanak, aszerint, hogy az ősbélüreg (archenteron) nyílásából a szájnyílás vagy a végbélnyílás alakul ki. Az előbbi csoportot Protostomiának (ez többé kevésbé megegyezik az "ősszájúak" fogalmával), míg utóbbit Deuterostomiának ("újszájúak") nevezzük. (Van itt a levegőben néhány örökérvényű poén, hogy a két csoport kölcsönösen minek tarthatja egymást, de most inkább nem lőném le őket... ;-)) Az eddigi genomprojectek adatainak egyik érdekes hozadéka, hogy a Protostomia csoportba tartozó rovarok (Drosophila, háziméh) és fonalférgek (C. elegans) genomja kompaktabb és kevesebb intront tartalmaz mint a Deuterostomia csoporthoz tartozó a gerinces genomok. (Az intronok olyan, fehérjét nem kódoló szekvenciák, melyek a genomi DNS-ben a kódoló szekvenciák (exonok) közé ékelődve vannak jelen, azonban az mRNS transzkripciója közben kivágódnak a végső "termékből", így a fehérje szintézis helyszínére már csak a kódoló szekvenica kerül.) Erre két magyarázat létezhet: a valamikori közös ősben (Urbilateria) kevés intron volt és a gerincesek vonala szedett össze újakat, vagy a közös ősben sok intron volt, de a rovarok valahogy elvesztették őket.

1. Ábra: A Platynereis intronjainak helyét összevetve más állatok intronjaival, a legnagyobb megegyezést a gerincesekkel találjuk (A). Hasonlóan, az emberi intronok helyzetét összevetve más állatokéval a Platynereis genomja kiugróan magas hasonlóságot mutat a Protostomia csoportban (B). (A szürke nyilakhoz tartozó csoportnevek hasonlósági értékei azért magasabbak mint a csoport egyes tagjaiéi, mert a csoportban fellelhető összes intront ábrázolják - vagyis durván extrapolálnak a közös ős genomjára.)

Az aktuális Science egyik cikke a vitát az utóbbi magyarázat javára látszik eldönteni [1]. Egy tengeri gyűrűsféreg, a Platynereis dumerilii exon-intron szerkezetét vizsgálva kiderült, hogy bár a Protostomia csoporthoz tartozik, az intronok géneken belüli helyzete és átlagos száma (7.8) sokkal közelebb van a gerincesekéhez (8.4), mint a Protostomián belüli Ecdysozoa csoportban levő rovarokéhoz és fonalférgekéhez (2.4-5.4). (1. Ábra) Gyorsan megjegyezném, hogy ez nem azt jelenti, hogy az eddigi filogenetikai fák fabatkát sem érnek. Ezeket az orthológ szekvenciák összehasonlítása alapján készítették és igen megbízhatók. Itt mindössze intronok helyéről van szó és nem a szekvenciájukról. Így a Platynereis megmarad ősszájúnak, mégha az ebből a csoportból vizsgált fajok közül filogenetikailag is ő áll hozzánk a legközelebb.

A cikkből levonható legfontosabb következtetés az, hogy a közös ősnek, az Urbilateriának, minden valószínűségel a gerincesekéhez nagyon hasonló exon-intron szerkezete lehetett, s míg a rovarok evolúciója során a genom igen gyorsan változott és kompaktabb lett, addig ez bennünk és a tengeri gyűrűsférgekben ez nem következett be. Mi - ebből a szempotból - kicsit lassúak voltunk és ezért egy primitívebb állapotot tükrözünk ;-). A szerzők szavaival:

Platynereis and humans can be regarded as similarly slow-evolving representatives of protostomes and deuterostomes, respectively.

Az eredmény érdekes és természetesen kicsit meglepő, ugyanakkor nem teljesen váratlan, mert már voltak jelek a komplexebb, nagyobb genom ősibb jellegére- és a kompakt genomok későbbi kialakulására vonatkozóan. Az egyik ilyen jel, hogy bár a gerincesekben fellelhető Wnt fehérje 12 alcsaládjából 11 szintén megtalálható egy csalánozó fajban (a csalánozók - pl. hidrák - körkörös szimmetriájúak, vagyis a csalánozók és a kétoldali szimmetriájú állatok közös őse az Urbilateria előtt létezett), a Nematostella vectensis-ben, a rovarokban csak hat alcsalád lelhető fel, azaz néhány elvesztődött a hosszú évek alatt [2]. Ráadásul úgy tűnik, hogy a Drosophila olyannyira előrehaladt a nem létfontosságú DNS szekvenciák kiszűrésében, hogy minden ami a genomjában maradt az szigorú szelekció alatt van [3], és valójában szinte egyáltalán nincs fölösleges, ún. "szemét DNS-e" ("junk DNA"), ami a neutrális evolúció fontos játéktere és -szere lenne. Na, de erről majd valamikor máskor. ;-)

---

[1] Raible F, Tessmar-Raible K, Osoegawa K, Wincker P, Jubin C, Balavoine G, Ferrier D, Benes V, de Jong P, Weissenbach J, Bork P, Arendt D (2005) Vertebrate-type intron-rich genes in the marine annelid Platynereis dumerilii. Science 310: 1325-1326.
[2] Miller DJ, Ball EE, Technau U. (2005) Cnidarians and ancestral genetic complexity in the animal kingdom. Trends Genet. 21(10): 536-539.
[3] Andolfatto P. (2005) Adaptive evolution of non-coding DNA in Drosophila. Nature 437: 1149-1152.

A restrikciós enzimek (a DNS-t megszabott szekvenciánál hasító fehérjék) felfedezése óta a levegőben van, hogy a molekuláris biológia "kátenpészt" ekvivalensével - azaz gének és szabályozó szekvenciáik szabad kombinálásával - teljesen új feladatokra "programozhatunk" át baktériumokat (és nemcsak). Ennek az egyik primitívebb (bár nem haszon szempontjából) kivitelezése egy-egy különálló gén bevitele a gazdaorganizmusba, lásd még: inzulin termelő baktériumok vagy a genetikailag manipulált növényfajok.
Azonban összetett szignál átviteli mechanizmusok beépítése, bár elvileg minden adott volt rá, sokáig váratott magára. A jég az elmúlt hónapokban látszott igazán megtörni, hiszen egyre több "biológiai szenzorról" és más szintetikus biológiával előállított organizmusról szóló hír jelent meg a populáris médiában. Az első csoportra jó példa az a bakteriális "szenzor" (1. Ábra) amely bizonyos kémiai-gradiensek érzékelésére alkalmas: a különböző koncentrációt különböző színek kibocsájtására programozott bacik érzékelik [1].

1. Ábra: Az agar lemezre kétfajta baci egyvelegét kenték fel: az egyik kisebb, a másik nagyobb AHL (acil-homoszerin lakton, igazából indifferens, hogy mi ez) koncentráció érzékelésére alkalmas. Mint azt a (b) és (c) mutatja, a riporter színek könnyen felcserélhetőek, így a magas AHL koncentrációt (UV fényben) előbb a zöld majd a piros szín jelzi. (A középen található "forrás" UV fényben kékes színt bocsájt ki). [1]

A szintetikus biológia "műfajának" felpörgetése végett az MIT diákversenyeket kezdett néhány éve rendezni biomérnökönek, először csak házon belül, aztán egyre szélesebb körben. Az idei iGEM (intercollegiate Genetically Engineered Machine) versenyen már igazi nemzetközi mezőny indult a lehető legkülönfélébb projectekkel. Ezekből az egyik az eheti Nature-ben publikálásra is került [2,3]. Az austini csapat egy biofilmet hozott létre és nemcsak a klasszikus értelemben (vékony, élő sejtekből álló réteg), hanem a dagerotípiák szellemében. A bakteriális genetika kis házi kedvencét, az E. coli-t bütykölték tovább, és egy kékalga fotoreceptorát fehasználva olyan kiméra transzmembrán fehérjét hoztak létre, amely fény hiányában folyamatosan aktivál egy fekete színt létrehozó fehérjét, azonban ha fény éri inaktívvá válik. Ezért a bacikat kikenve egy agar lemezre és egy adott minát rájuk világítva a minta hamarosan megjelenik a lemezen (2. Ábra). (Valódi intelligens dizájn, kéremszépen... ;-)))

2. Ábra: A kiméra fotoreceptor (Cph8) fény hiányában egy hisztidin-foszfatázon keresztül aktiválja a fekete színt előállítő lacZ gén átíródását, de fény hatására a folyamat inaktiválódik (a). Ezért a bakteriális biofilmre vetített káp "lenyomata" látszani fog (c), sét elméletileg akár különböző árnyalatok is megjeleníthetők valamilyen szinten (d). [3]

A hosszútávú cél azonban sokkal magasabbra törőbb. Egy olyan katalógus létrehozása ahonnan különböző műveletek elvégézésére alkalmas, egymással kompatibilis gének és egyéb moduláris DNS darabok lennének rendelhetők. Ezek segítségével aztán ugyanolyan egyszerűen lehetne biológiai hálózatokat létrehozni mint ahogyan elektromos áramköröket bütykölünk fizika órán. (Lehetne, de azért egyelőre még nem ilyen egyszerű a helyzet, mint azt az iGEM több csoportjának esete is mutatja: a biológiai rendszerek stochasztikusak, néha kiszámíthatatlanok, így gyakran több próbálkozásba kerül egy-egy működőképes "bio-áramkör" létrehozása, nem mindig triviális okokból - egyszerűen még számos, hosszú ideje használt fehérjéről sem tudjuk 100% bizonyossággal, hogy új körülmények között hogyan fog szuperálni.)
Mindenesetre kedves gyakorló és leendő szülők lassan jobb lesz lelkileg felkészülni: a Lego-Technik a múlté, lehet gyűjtögetni a SynthBio-Legóra... ;-))

---

[1] Basu S, Gerchman Y, Collins CH, Arnold FH, Weiss R. (2005) A synthetic multicellular system for programmed pattern formation. Nature 434: 1130-1134.
[2] Check, E. (2005) Synthetic biology: Designs on life. Nature 438: 417-418.
[3] Levskaya A, Chevalier AA, Tabor JJ, Simpson ZB, Lavery LA, Levy M, Davidson EA, Scouras A, Ellington AD, Marcotte EM, Voigt CA. (2005) Synthetic biology: Engineering Escherichia coli to see light. Nature 438: 441-442.

Mint arra a napokban Niles Eldredge, a pontozott egyensúly elméletének egyik atyja rámutatott a PLoS-Biology hasábjain, ha van a biológiának saját "éegyelőemcénégyzete", akkor az jó eséllyel a Darwin által rajzolt első evolúciós fa lehetne.

Ez és hasonló finomságok kerültek kiállitásra az AMNH Darwin születésének kétszázadik évfordulójára rendezett kiállitásán. Ma, amikor elsősorban "molekuláris evolúcióról" beszélünk és szinte minden, a témához kapcsolódó előadásban DNS szekvenciák tömkelegét lebegtetik át a nézők szeme előtt, különösen érdekes megnézi, hogy hogyan is kezdődött az egész. A kiállitás Darwin személyes holmijain túl kéziratainak (és a hozzá közelállók neki cimzett leveleinek) egyik legteljesebb gyűjteményét vonultatja fel (amit a Cambridge egyetem "Darwin papers" projectjével együtt próbálnak digitalizálni), s ezek révén nyomon követhetjük Darwin gondolkodásának állomásait, hogyan lesz a fiatal teológusból az evolúció elméletének agnosztikus megteremtője (és hogyan befolyásolta vallásos nézeteit kislánya korai halálának személyes tragédiája). Egy biológus számára talán a legérdekesebbek az ún. "transzmutációs jegyetfüzetek" (Darwin a Fajok eredetének csak sokadik kiadásában használta először az "evolúció" szót, egészen addig a "transzmutáció" volt a bűvös betűkombináció) amelyek lapjain fokozatosan alakul ki az új gondolatvilág.
De ez az új gondolatvilág nem teljesen váratlan és előzmény nélküli. Darwin nagyapja, a liberális gondolkozású Erasmus Darwin már maga is hitt egyfajta korai evolúciós elméletben s ez nyilván hatással lehetett unokája világképére. Emellett, mint azt Frank Sulloway hangsúlyozza a Smithonian magazin ehavi számában, Darwint kortársai, John Gould és Joseph Hooker segitették hatalmas gyűjteményének pontos kategorizálásában (Darwin az elején a pintyfajait - melyek származásának pontos meghatározásához FitzRoy kapitány segitségét kellett igénybe vennie, ugyanis saját jegyzetei nem voltak elég pontosak - csak ugyanazon faj variációinak tartotta, a kor kreacionista gondolkodásának megfelelően).
Mindezek mellett két fontos dolog sugalmazódik a kiállitás által: egyrészt a ma méltatlanul kevésszer emlegetett biogeográfiai bizonyitékok kiemelkedően fontos szerepe az evolúciós gondolkodásmód kialakulásában, illetve az, hogy a "természetes szelekció" elméletéhez Darwin sokat meritett Thomas Malthus, angol politikai közgazdász, az erőforrások körüli emberi kompeticióról szóló nézeteiből.

De szintén érdekesek a személyesebb vonatkozású irományok, például Darwin reakciója Alfred Wallace váratlan levelére (amelyben az Indonéziában tartókodó ifjú naturalista gyakorlatilag a Darwinéval teljesen megegyező elméletet vázol fel), vagy amelyek a házassághoz és "minden példányok legérdekesebbéhez", feleségéhez kezdetben fűződő, mai szemmel igencsak groteszk viszonyát tükrözik. Vagy éppen azok, melyekből kiderül, hogy milyen kevésen múlt, hogy ma az evolúció kapcsán a galapagosi pintyekről beszélünk a szigetek poszáta fajai helyett ;-).

A BBC News honlapján találtam néhány képet a napokban induló új David Attenborough sorozatról ("Life in the undergrowth") és ezek alapján gugliztam el a sorozat honlapjáig. Nem tűnik rossznak, az héccencség ... :-)

Mint arra a legelső blogbejegyzésben utaltam, az élőlények alakjaiban bekövetkező változások általában egyes gének felhasználási helyének és idejének változására vezethetők vissza, s ezen változások képezik az evolúció egyik hajtóerejét. Az ilyen típusú változásokat (értelemszerűen) leginkább olyan rokon fajokkal lehet szemléltetni melyek evolúciós időskálán mérve a közelmúltban váltak el, és ha ezen rokon fajok nagyfokú adaptív radiáció (igen különböző ökológiai életterekhez, ún. nichekhez való alkalmazkodás) folytán jöttek létre az érv általában még meggyőzőbb erejű.

1. Ábra A bölcsőszájú halak adaptív radiációjának legfontosabb lépései (először élőhelyhez, majd táplálékforráshoz való alklamazkodás, végül szexuális szelekció). [1]

A fenti állítás szemléltetésére talán az egyik legtriviálisabb példa a bölcsőszájú halak esete. Kelet-Afrika Nagy Tavaiban (Tanganyika, Viktória, Malawi) mintegy 400 bölcsőszájú halfaj él, melyek egy közös ősből alakultak ki cirka 700.000 év leforgása alatt. Feltehetőleg három nagy adaptációs "robbanás" játszott szerepet a fajok kialakulásában (1. ábra). Először az élőhely alapján két csoport különült el: a homokos aljzat közelében illetve a sziklás környezetben lakók, majd utóbbiak a táplálkozási szokásuk alapján tovább specializálódtak szilárd tápanyagot rágcsálókra illetve lebegő tápanyagot fogyasztókra. Végül szexuális szelekció során jöttek létre a különböző színes mintázatok [1].

2. Ábra A M. zebra karcsúbb állkapcsának kialakulása összefügg azzal, hogy bmp4 mRNS csak az első kopoltyúív végében található, ellentétben a L. fuellerbonival, ahol a masszív állkapocs az egész kopoltyúívben jelenlevő bmp4-el társul (készült [2] alapján).

Egy közelmúltban megjelent tanulmány [2] a második alkalmazkodási kör okait vizsgálja. Ehhez két különböző táplálkozási szokású halfajt hasonlítottak össze, ezek a Labeotropheus fuelleborni (LF) ill. Metriaclima zebra (MZ). Elöbbinek a sziklákon levő algák rágcsálásához alkalmazkodott rövid, de robusztus alsó állkapcsa van, míg utóbbinak karcsúbb és hosszabb az említett testrésze (minthogy a szóbanforgó hal mindenevő, ez nem meglepő). A két fajt keresztezve és a lérejövő ún. F1, illetve az ennek a keresztezéséből származó F2 nemzedék egyedeit vizsgálva lehetőség nyílt annak a meghatározására, hogy melyik kromoszómán vannak az állkapocs méretét/alakját befolyásoló gének. Ez a meghatározás azért lehetséges, mert az utódok nyilvánvalóan nem teljesen egyformák, sem genetikailag, sem külalakjukat tekintve, így kapcsolatot lehet találni bizonyos kromoszómális genetikai markerek és az állkapocs egyes jellegzetes paraméterei között. (Egy fontos megjegyzés: az igazán szemfülesek biztos kiszúrták, hogy két faj keresztezéséről beszélek, ami az állatoknál alkalmazott faj definíció értelmében max. steril utódokat hozhatna létre, így F2 szóba sem jöhet. A helyzet az, hogy a faj definíciója egy mesterséges kategória, és bár általában igaz, nem feltétlenül alkalmazható mindig. Jelen esetben a két faj között a különböző színezet miatt a természetben létezik egyfajta szexuális izoláció, de azért annyira (még) nem különböznek egymástól, hogy ne hozzanak létre életképes hibrideket.) A vizsgálat egyik érdekes eredménye, hogy bizonyos tulajdonságok együtt változnak: az állkapocs hossza, illetve magassága (ínyencek kedvéért: a coronalis processus mérete) között negatív összefüggés van (azaz minnél rövidebb az állkapocs, annál magassabb egyben). A másik pedig, hogy ezek a tulajdonságok (egyebek mellett) a bone morphogenetic protein 4 (bmp4) nevű génhez kapcsolódnak.

A bmp4, mint neve is mutatja, azon faktorok osztályába tartozik, amelyek a csontfejlődésben is szerepet játszanak (még rengeteg más szerepük is van, de a téma szempontjából ez a legfontosabb). Egyebek mellett egyes arccsontokban is expresszálódik, ami érthető módon itt külön érdekessé teszi. Ezek után már nem is annyira neglepő, hogy a vizsgálat tárgyát képező két halfajban jelentősen különbözik a bmp4 átíródásának helye és mértéke. Míg MZ egyedekben az első kopoltyúív (ez hozza létre az alsó állkapcsot) végére korlátozódik a jelenléte, addig a robusztusabb állkapcsú LF halakban az egész kopoltyúívet kitölti (2. Ábra). Eddig szép és jó a dolog, de, hogy kerek legyen a történet okozati összefüggést kell kimutatni a bmp4 expresszió változás és az állkapocs alakja között. Ehhez a jól bejáratott "kísérleti nyulat", a zebrahalat használták: mesterségesen megnövelve a Bmp4 szintet a halak állkapcsa sokkal robusztusabb lett. (A történet ott sántít egy kicsit, hogy ez a robusztusabb forma nem járt együtt az állkapocs hosszának csökkenésével, ennek egyik valószínű oka lehet, hogy a Bmp4 mennyiségét az összes szövetben megemelték és nemcsak az első kopoltyúívben.

3. Ábra A különböző Geospiza fajok csőralakja összefügg a bmp4 expresszió szintjével. [3]

És ha már Bmp4 valamint adaptív radiáció, akkor nem mehetünk el a legklasszikusabb példa mellett: Darwin pintyeinek csőrformája.
Ha az evolúcióval kapcsolatban másra nem is igen, de arra majdnem mindenki emlékezni fog, hogy Darwint a Galapagos szigetken elő pintyek (Geospiza fajok) sokfélesége is megihlette elmélete kidolgozásakor. A szigetcsoporthoz tartozó földdarabokon közös őstől származó, de igen változatos életformákhoz alkalmazkodott pintyek éledegélnek és a ez az alkalmazkodás legjobban talán csőrük alakjában nyilvánul meg. A csőrök formagazdagsága mögötti embriológiai okokat keresve egy harvardi csoport végignyálazta azokat a növekedési faktorokat, amelyekről tudott, hogy szerepük van a madár arckoponya kialakulásában. Véletlen vagy sem, de épp a bmp4 volt az amelyik változott a különböző fajok között (3. Ábra), mégpedig úgy, hogy a szélesebb csőrrel rendelkező madarak csőr mesenchymájában megnőtt a szintje [3]. Az okozati összefüggést természetesen itt is vizsgálták és csirkeembriók csőrkezdeményében növelték meg mesterségesen a Bmp4 vagy a Noggin (egy Bmp antagonista) szintet, ami a várt eredményt hozta: előbbi esetben a csőr mérete megnőtt, míg utóbbiban lecsökkent.
Nem teljesen világos, hogy pontosan milyen változásokat okoz a bmp4 expressziós szintjének megemelkedése, de feltehetőleg a sejtek osztódását segíti elő és így növeli a méretet, legalább is erre utal a csirke- és kacsacsőr összevetése [4].

A galapagosi pintyek történetének egyik legszebb mozzanata, hogy nemcsak az evolúció ihletői voltak, de ma is talán az egyik legjobb szemléltetői. Peter és Rosemary Grant, a Princeton egyetem két kutatója hosszú évtizedek óta vizsgálja ezeket a kis madarakat. Ennyi idő alatt szárazabb és nedvesebb periódusok követték egymást a szigeteken, és a pintyek test- valamint csőr mérete ezek függvényében változott. Az 1977-es szárazságot követően a szigeteken csak nagy és kemény magok fordultak elő, aki ezeket nem tudta fogyasztani az éhenhalt. Ennek megfelelően az egyik vizsgált pintyfaj (G. fortis) populációinak csőrmérete módosult és robusztusabb lett, alkalmasabb a kemény magok feltörésére. Néhány évvel később azonban a kedvező esők miatt sok apró mag és kevesebb nagyobb volt fellelhető a szigeteken. Ekkor az előbbiek fogyasztására alkalmasabb kisebb csőr jelentette az evolúciós előnyt. Talán mondanom sem kell, hogy a ezekben az években milyen irányban változott a pintypopuláció csőrmérete [5]... ;-))

---

[1] Danley PD, Kocher TD (2001) Speciation in rapidly diverging systems: lessons from Lake Malawi. Molecular Ecology 10(5): 1075-1086.
[2] Albertson RC, Streelman JT, Kocher TD, Yelick PC (2005) Integration and evolution of the cichlid mandible: The molecular basis of alternate feeding strategies. Proc.Nat.Acad.Sci. USA 102(45): 16287-16292.
[3] Abzhanov A, Protas M, Grant BR, Grant PR, Tabin CJ. Bmp4 and morphological variation of beaks in Darwin's finches. Science 305: 1462-1465.
[4] Wu P, Jiang TX, Suksaweang S, Widelitz RB, Chuong CM. Molecular shaping of the beak. Science 305: 1465-1466.
[5] Grant PR, Grant BR. (2002) Unpredictable evolution in a 30-year study of Darwin's finches. Science; 296: 707-711.