tg-cbmass-20121025

A tejivás, bármennyire is mindennapinak tűnik, egyfajta kiváltság. Kiváltság, mert nem mind vagyunk képesek rá, sőt, a Föld lakosságának többsége képtelen felnőtt korában megemészteni a tejet. Ez pedig arra vezethető vissza, hogy csak kevesekben marad a tejcukor lebontást végző laktáz (LCT) enzim aktív anyatejtől való elválasztás után. Pár hónapja bővebben is írtam erről a jelenségről, annak kapcsán, hogy kiderült, Európában és Afrikában, azok a populációk, amelyek képesek egész életükön át laktázt termelni, különböző mutációknak köszönhetik ezt (azonban a mutáció mindkét esetben az LCT gén ugyanazon szabályozó régiójába esik, valszleg ennek köszönhető a hasonló hatás). A jelenség a konvergens evolúció elsőrangú példája.

Bevallom a poszt írásakor nekem sem fordult meg a fejemben, de az eszmefuttatás, amelyet a mutáció elterjedésének magyarázatára sugalltam (miszerint a tehén-szelidítők körében előny volt ez a mutáció, hiszen extra tápanyagforrást biztosított, s ennek köszönhetően terjedt el), nem az egyetlen lehetséges. Ui. az sem zárható ki, hogy egyszerűen elsősorban azok a populációk kezdtek el tehenészkedéssel foglalkozni, amelyeknél már eleve jelen volt valamilyen okból ez a genetikai változás. Nem nagyon életszerű magyarázat, hiszen a hús már önmagában is komoly tápanyagforrás, de egyetlen lehetőség van arra, hogy eldönthessük mi is volt valójában a helyzet: megnézzük, jelen volt-e a gén őseinkben.

Ehhez ma már természetesen nincs szükség időgépre, egyszerűen hipersteril körülmények között kell apró szövetmintát venni régi csontokból, és a DNS - már, ha egyben van még - máris mesél. Most is valami hasonló történt: olyan csontvázakat vizsgáltak meg, amelyek bizonyíthatóan 7-8,000 évesek - ez az az időszak, amikor a tehéntenyésztés európai hódítóútjára indult.

Az eredmény akár perdöntő is lehetne, hiszen egyetlen esetben sem találtak a laktóz-toleráns allélra, de mégsem az. Ugyanis ahhoz túl kicsi a mintaszám: mindössze nyolc szövetmintáról van szó (három Szarvasról, a többi pedig német, lengyel és litván lelőhelyekről származik). Arra, azonban elég, hogy lássuk, ha esetleg létezett is a szóbanforgó LCT allél, mindenképpen sokkal kisebb gyakoriságú volt az őskorban, mint napjainkban. Ez a tény pedig inkább az "előnyös mutáció gyors elterjedése" hipotézist erősíti.

A főemlősök eszközhasználata lassan közhelyszámba megy. Az egyik klasszikus, tankönyvi példa olyan csimpánzokról szól, akik köveket használnak fel különböző nagyméretű magok feltörésére. Az eddig elfogadott magyarázat szerint, ezt a viselkedés-kombinációt a majmok a környezetükben élő emberektől lesték el a viszonylag közelmúltban, majd pedig egymásnak tanították meg.

Egy új felfedezés miatt azonban, úgy tűnik, hogy az eltanulás időpontjának tekintetében revideálni kell ezt a korábbi elgondolást. Ugyanis kanadai kutatók egy ősi, 4,300 éves csimpánz-tanyára bukkantak Elefántcsontparton, ahol számos olyan kő hevert, amelyekkel az egykori lakók, a nyomok szerint, hasonló magok felnyitását használtak, mint ma is élő rokonaik. Vagyis csimpánzok sokkal régebb óta bírják a "diótörő" tudást, mint azt eddig gondoltuk. Sőt, a kutatócsoport merész feltételezése szerint (amire abszolút nincs bizonyítékuk, így nem árt nagyon szkeptikusnak lenni ezen a ponton), akár az is elképzelhető, hogy anno az emberek és a csimpánzok közel egyszerre sajátították el ezt az ismeretet.

Mindenesetre, ha ehhez hozzávesszük azt a legfrissebb hírecskét, hogy Szenegálban nőstény csimpánzok foggal élesített faágakat lándzsaként használva vadásznak kisebb emlősök után, azok odvaikban, máris (még) elismerőbben tekinthetünk legközelebbi rokonainkra.

Egeret klónozni ma már nem számít ördöngősségnek, de azért messze nem triviális. A leggyakrabban alkalmazott eljárás során, ún. kumulusz sejtek sejtmagját használják az eljáráshoz (vagyis ezt juttatják be egy olyan petesejtbe, amelyből előzőleg eltávolították a saját sejtmagot - így készült az első magyar klónegér, Klonilla is), ami kapcsán két gond merülhet fel.

Egyrészt kumulusz sejtek csak nőstényekből nyerhetőek, hiszen ez a sejttípus a petesejtek körül található csak. A másik inkább egy dogmatikus álláspontot tükröz: mivel ezek a sejtek már viszonylag beszűkült fejlődési potenciállal rendelkeznek (azaz bár még nem differenciálódtak teljesen, csak kevés fajta sejtet képesek létrehozni), elképzelhető, hogy kevésbé hatékonyak, mint a nagyobb fejlődési potenciállal rendelkező ún. felnőtt-őssejtek (adult stem cells). (Emögött az érvelés mögött az a megfigyelés áll, hogy a valódi embrionális őssejtek a leghatékonyabbak klónozás során, és a "józan paraszti logika" szerint a felnőtt őssejtek annál jobban hasonlítanak az embrionális őssejtekre, minnél kevésbé elkötelezettek. - Ez inkább intuíció volt eddig is, konkrét bizonyíték nem nagyon támasztja alá.) Bár ez a dogma már tavaly erős gellert kapott, azért még nem teljesen halott.

Most egy tanulmányban kumulusz sejtek, differenciálódott bőrsejtek és bőrőssejtek sejtmagjának klónozási hatékonyságát vetették össze. Nos, a bőrőssejtek semmivel sem bizonyultak jobbnak, a másik két sejttípusnál. (Érdekes módon, a három kísérlettípus minden fázisban hasonló sikerességet mutatott, amit azért emelnék ki, mert a már említett tavalyi cikkben a differenciáltabb sejtekből készült klónok jobb (!) eséllyel vészelték át a fejlődés kezdeti szakaszát, mint a kevésbé elkötelezett sejtekből készült társaik. Tippem szerint valami technikai okra vezethető vissza az eltérés, bár a két cikkben alkalmazott protokoll főbb vonalaiban megegyezik.)       

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.

A gerincesek szemének kifejlődéséről konkrétan könyvet lehet írni, így ha a lényeget egyetlen posztba akarom besűríteni, az akaratlanul is egyszerűsítésekkel és általánosításokkal jár. (Remélem egyik sem megy az érthetőség róvására, de ha igen tessenek majd kérdezni.)

A gerinces állatokra jellemző szemgolyó hasonló képalkotási elvvel működik, mint egy fényképezőgép: egy lencsén keresztül gyűjti be a fénysugarakat és a szem hátsó részén hoz létre egy fordított, kicsinyített képet. Ennyiben hasonlít egyes oktopuszok szemére is, de a hasonlóság csak igen távoli: mind a fejlődés lépéseit, mind a szem egyes sejttípusainak eredetét tekintve jelentős különbségeket találunk. Ez az összehasonlítás önmagában is megér egy ódát (igyekszem egyszer alkalmat is keríteni rá), de most a részletek ismertetése nélkül legyen elég annyi, hogy a különbségek azt bizonyítják, hogy az evolúció különböző módokon is képes volt létrehozni nagyon hasonló működésű, összetett szerveket.

A gerincesek szemfejlődése három nagy fázisra osztható (a felosztás kicsit önkényes, egyszerűbb ezeket követve tárgyalnom a folyamatot - természetesen más felosztások is létezhetnek, a lényeg ugyanaz marad).

Az első fázis a szemmező kialakulása, amely időben átfed azzal a folyamattal, amely során az ektodermális csíralemez egyik része elkülönül, létrehozva az ún. neuroektodermát, amelyből később az idegrendszer jön majd létre. Az egybeesés egyáltalán nem véletlen, hiszen a gerincesek szeme durva egyszerűsítésben (mint azt rögtön látni fogjuk) az előagy kitüremkedése. Ezért, amíg nem kezdenek elkülönülni az idegrendszert alkotó sejtek, addig értelmetlen is a szemről beszélni.

A szemmező a neuroektoderma legelején (Ant.) alakul ki és a legelső gének egyike, ami ezen a területen kifejezésre kerül az a pax6 gén, amely az élővilágban univerzálisan (laposférgektől, a muslicákon át, az emberekig) a szemkialakulásért felel (A). Először a pax6 egy félkör alakú sávban expresszálódik, ez a tartomány azonban hamarosan kettéválik, az embrió középvonalában, az ektodermális réteg alól, a mezodermából érkező jelek hatására (B). Ezen jelek közül legfontosabb a Sonic-hedgehog (Shh) nevű - igen, a genetikusok szeretnek hülye neveket adni ;-) - nevű fehérje, amelynek mutációja, vagy működésének valamilyen külső okból történő gátlása a szemmező szétválásának elmaradásához vezet, ami egyszeműséget, azaz küklopsziát okoz. (Például a cyclopamine nevű molekula egy ilyen Shh működést gátló teratogén anyag és mivel egyes növényekben különösen magas koncentrációban van jelen, az ezeket legelő vemhes tehenek gyakran egyszemű borjaknak adnak életet.)

A fejlődés második fázisa a neurulációt követően következik be. Ez utóbbi az a folyamat, amelynek során a neuroektoderma, ami eddig egy lényegében egy sima lemez, csővé - ún. velőcsővé - hajlik össze és besüllyed a leendő kültakaró alá. Ekkor a velőcső legelején, amely az előagyat hozza majd létre, két oldalt kidudorodások jelennek meg, a szemhólyagok. Ezek fokozatosan növekednek, mígnem elérik a kültakaró oldalsó részét (C). Itt a kültakaró (amelynek ezen része már korábban létrehozta a krisztallin géneket kifejező ún. lencse-placodot) és a szemhólyag között bonyolult, és részleteiben máig sem teljesen tisztázott kölcsönhatássorozat indul meg. Ennek az az eredménye, hogy a lencse-placod lefűződik és létrehozza a szemlencsét, a szemhólyag közepe pedig visszatűrődik, így létrejön a szemserleg (D, E). (Ugyanez, keresztmetszeti mikroszkópos képekben itt látható.) Mindeközben a szemhólyag oldalsó sejtjei, amelyekből később a szemserleg visszatűrődő sejtjei lesznek, továbbra is termelik a Pax6-t. Ezek a Pax6⁺ sejtek hozzák létre később a retinát, a szemserleg őket körülvevő (külső) sejtjei pedig pigmentsejtekké válnak.

A harmadik fázis magának a retinának a létrejötte. (Természetesen még ezer egyéb folyamat is zajlik eközben, pl. a szemlencse integrálódása, a szem erezetének kialakulása, szemmozgató izmok megjelenése, stb., de mint említettem, helyhiány okán ezekről most nem lesz szó.) Az előbb említett Pax6⁺ sejtek osztódásai során jön létre egy jellegzetes, ötrétegű szövet: legbelül (a fénytől legtávolabb eső oldalon) helyezkednek el a fényérzékelést végző fotoreceptorok (csapok és pálcikák), kifele pedig egymás után a horizontális sejtek, bipoláris sejtek, amacrin sejtek és végül a retinális ganglion sejtek (RGC). Utóbbiak hosszú nyúlványai, axonjai aztán szépen kilépnek a szemből az ún. vakfolton keresztül (amelynek neve a fényérzekelő sejtek hiányára utal - ezek fizikailag nem lehetnek ott, az axonok miatt), létrehozva a látóideget, és az agyba továbbítják a csapokból és pálcikákból érkező impulzusokat.

A (gerinces)retinát tehát egy furcsa fordítottság jellemzi, ami egyben azt is jelenti, hogy a fotonoknak több sejtrétegen, illetve axonok kusza sokaságán kell átküzdeniük magukat, mielőtt fényérzetet keltenek. Ezért nevezzük a gerincesek szemét "inverz szemnek", szemben a korábban már emlegetett oktopuszok szemével, amely egy "everz szem", vagyis a retina fényhez legközelebbi részén helyezkednek el a fotoreceptorok. (Nem bizonyítottan, de valószínűsíthetően, az "inverz szem" fordítottsága az idegrendszer központosulása miatt alakult így evolúciósan. Ui. a központosulásban kulcsszerepet játszik a neuruláció folyamata, amikor a létrejövő velőcső kialakulása során a korábban a neuroektodermából "kifelé" néző sejtek, a cső belseje fele kezdenek nézni.)

Egy másik érdekesség, amiről még ildomos említést tenni, az a fotoreceptorok működéséhez kapcsolódik. Ellentétben ugyanis számos "mezei" idegsejttel (illetve, a nem-gerincesek szerkezetében picit más fotoreceptoraival), a csapok és pálcikák épp akkor nem továbbítanak jelt, amikor izgalmi állapotba kerülnek. A fotoreceptorok ugyanis sötétben folyamatosan "tüzelnek", ám amikor erős fény éri őket, akkor hiperpolarizálttá válnak, vagyis rövid időre "elhallgatnak". Ez picit paradoxnak tűnhet, de az idegrendszer számára nem az a fontos, hogy miképp tesznek érzékszerveink különbséget a fény és sötétség között, hanem csak az, hogy valamiképpen különbséget tegyenek. A többi, azaz a kép értelmezése és a válaszreakció megalkotása, már az agyunk feladata.