tg-cbmass-20121025

Ezt a kis videót már hónapok óta be akarom szúrni, de jobb később, mint soha ;-):

Már csak ezért is fontos:

Megj: az adatok az Egyesült Államokra vonatkoznak.

Gregor Mendel neve és borsókísérletei még azok számára is ismerősen szoktak csengeni, akiknek egyébként nem túl sok maradt meg a gimis bioszórák anyagából.

A domináns és recesszív tulajdonságok öröklődési szabályainak megfigyelése során végzett kísérletsorozatban, az egyik vizsgált tulajdonság a borsószemek színéhez kapcsolódik. Ennek a színnek két variánsa létezik: sárga és zöld. Az előbbi a domináns, ugyanis, mint arra Mendel rájött, ha a borsószínt kódoló génnek (ezt ő I lókusznak nevete el) a "sárga" (I) és "zöld" (i) allélja egyaránt jelen van, akkor a szóbanforgó növény szemeinek színe sárga lesz (más szóval zöld szín csak akkor lehet, ha mindkét jelenlevő allél a recesszív "zöld"). A csak "sárga" allélokat vagy csak "zöld" allélokat hordozó növényeket homozigótáknak nevezzük, a mindkét allélból egyet-egyet hordozókat pedig heterozigótáknak. Ha aztán netalán utóbbiakat keresztezzük, akkor a létrejövő nemzedékben a "sárga" és "zöld" szemű borsók 3:1 arányban lesznek jelen (aki nehezen követ, annak segítségként itt egy táblázat).

Mivel Mendel kísérletei óta eltelt bő 140 év, azt gondolhatnánk, hogy mára már köztudott, mely génekkel játszadozott a brnói barát, de nem ez a helyzet. Az I lókusz (gén) mibenlétére is csak most derült fény. Ez pedig nem más, mint a más növényekben (pl. lúdfűben (Arabidopsis thaliana) vagy réticsenkeszben (Festuca pratensis)) a staygreen (sgr) néven futó gén.

A sgr egy olyan enzimet kódol, amelynek a növények zöld színét biztosító klorofill lebontásában van szerepe. A folyamat során sárgás-vöröses melléktermékek keletkeznek, ezek adják az idősödő növényi szövetek sárgás színét. S ha az enzim nem működik (pl. egy mutáció miatt, mint az i allél esetében), akkor az elöregedő növényi részek (legyenek azok levelek vagy borsószemek) zöldek maradnak, nem "érik be" a színük.

Egyéb közös vonások felemlegetése mellett, a gerincesek általános jellemzésének egyik fontos pontja, hogy az ide tartozó állatoknak zárt keringési rendszerük van, amelyben vörösvérsejtekbe zárt hemoglobin szállítja az oxigént. Mint minden jó szabály alól, utóbbi esetében azért vannak kivételek. Az Antarktisz körül található vizekben elterjedt Notothenioidea alrendbe tartozó sügérek egyik családjába (Channichthyidae), az ún. jéghalak közé tartozó fajok esetében sem hemoglobinnal, sem vörösvérsejtekkel nem találkozunk. Annál szembeötlőbbek azonban azok az adaptációk, amelyek ezen hiány pótlását, illetve a hideg, sarki környezethez való alkalmazkodást teszik lehetővé ezen halak számára.

A jéghalakban azért nem keletkezik hemoglobin, mert a molekulát alkotó két globin fehérje közül az egyik (β-globin) génje teljesen degradálódott és a másik (α-globin) sem működőképes a felhalmozódott mutációk miatt.

Élettanilag egyszerűen megdöbbentő a hemoglobin hiánya, mert ezen fehérje nélkül a vér csak annyi oxigént tud a különböző szövetekbe szállítani, ami passzívan, fizikailag képes beoldódni a vérplazmába. Ez pedig lényegesen kevesebb mennyiség, olyannyira, hogy melegebb vizekben nem is lenne túlélhető a hemoglobin elvesztése. A jéghalak, szerencséjére azonban a víz hőmérséklete ill. oxigén-beoldó képessége fordítottan arányos, ezért az egyébként is jól keveredő sarki vizek oxigénben telítettek lesznek, ami lehetővé teszi, hogy a hal vérplazmájába is több oxigén kerülhessen. Ez azonban még mindig csak a környéken élő vörös vérű halak vér-oxigén tartalmának 10%-át éri el, szóval kevés.

Ezt valamivel kompenzálnia kell és a jéghalak vére a fent említett okok miatt nemcsak fehér színű (hiszen csak vérplazmát és fehérvérsejteket tartalmaz, a piros színt pedig a hemoglobin tartalom adja más esetben a vérnek), hanem térfogatában is többszöröse a vörös-vérű rokonaikénak. Ennek egészen racionális oka van: a jéghalakban lényegesen több vér-kapilláris biztosítja az egyes szövetek ellátását (ezzel kevesebb véroxigén-tartalom mellett sem kell oxigénhiánytól tartani - a mellékelt ábrán lásd a jéghal retinájának (B) erezettségét), és a nagyobb térfogatú vérér hálózat megtöltéséhez több vérre van szükség. Nameg egy nagyobb szívre, mert egy "normális" nagyságú nehezen bírná a megnövekedett térfogatot a szükséges ütemben pumpálni. Ja és több mitokondriumra, amelyek az oxigén sejten belüli diffúzióját segítik.

A legmeglepőbb talán az, hogy mindezen az adaptívnak tünő jegyek valószínűleg pont az adaptáció szükségességének okozójára: a hemoglobin elvesztésre vezethetőek vissza. A hemoglobin (az izomokban levő myoglobinnal egyetemben, ami számos jéghalban szintén működésképtelen) egyszerűbb globin molekulákból alakult ki az evolúció során. Utóbbiak funkciója pedig baktériumokban, fonálférgekben és gombákban a nitrogén-monoxid (NO) oxidációja. A NO fontos szignálmolekula is, amelynek szerepe van a vérérhálózat kialakulásában, a mitokondriumok számának szabályozásában, az izomméret kialakításában. Így aztán, ha nem oxidálódik (márpedig a hemoglobin és myoglobin hiányos halakban kevésbé oxidálódik), akkor pont azokat a folyamatokat segíti elő, amelyek a hemoglobin-hiányos helyzetet elviselhetővé teszik a hal számára.

Mindez azonban még nem elegendő ahhoz, hogy a hemoglobin hiányt igazán, "globálisan" adaptív tulajdonsággá emeljék. És ez egy kicsit még mindig megválaszolatlan kérdés: van-e adaptív előnye a vörösvérsejtek elvesztésének? Sokan sokféle válasszal próbáltak előállni: pl. a hidegben a vér viszkozitása megnő, így nehezebb pumpálni, ezért előnyös lehet a vér sejtes elemeinek csökkentése. De mivel ezzel párhuzamosan a vértérfogat is megnőtt, a jéghalak szíve koránt sem végez kevesebb munkát, sőt. És egyáltalán: ezeknek a halaknak az anyagcseréje kevésbé hatékony, mint a velük egy területen élő vörös-vérű sügéreké.

A jelek (és a jelenleg egyik legelfogadottabb nézet) szerint ezeknek a fajoknak a kialakulását az tette lehetővé, hogy jókor voltak jó helyen. Úgy 10-14 millió éve, az Antarktiszi-óceán lehűlésével párhuzamosan a helybeli halak többsége nem tudott elég gyorsan alkalmazkodni a változáshoz, ezért hatalmas halpopulációk omlottak össze. A Notothenioid-halak őse azonban megbarátkozott a hideggel, és szinte egyedül vehette birtokba a hatalmas víztömeget (a Notothenioid halak még ma is a halbiomassza 95%-át adják ezekben a vizekben!). A verseny hiányának luxusa aztán oda vezetett, hogy létrejöhettek lassan a jéghalak, amelyek egy kompetitívebb közegben nagyon hamar elvéreztek volna.

S, hogy mi volt az aminek köszönhetően a Notothenioid halak sikeresek lettek? Egy zseniális kis molekula, egy természetes fagyálló létrejöttének.

Az anktartiszi vizek hőmérséklete -1.9°C, ami a halak testnedveinek fagypontja (~-1.0°C) alatt van. Azaz ezen a hőmérsékleten már kialakulnak fagykristályok az erekben és a belekben és ha ezek szabadon nőhetnének, az rövid úton az élőlény halálát okozná. Azonban a "fagyállóként" működő glikoprotein (AFGP) ezt a növekedést meggátolja.

Az AFGP története pedig maga is egészen elbűvölő: egy, az emésztésben szerepet játszó enzim, a tripszinogén duplikációja révén jött létre. Ezt azért mondhtajuk nagy bizonyossággal, mert a triszpszinogén és AFGP génjeinek eleje és vége szinte tökéletesen megegyezik, még a sejtből való szekréciót biztosító ún. szignál-peptid is, csak pont a fehérje-kódoló a közepe más. De az nagyon: az AFGP-ben egy tripeptidet (Thr-Ala-Ala) kódoló DNS szekvencia ismétlődik nagyon sokszor (egy spacer szekvenciával egyetemben), ami maga a tripszinogén gén első intronának és második exonjának határán levő szekvenciából alakult ki. (A tripeptid Thr csoportjához kapcsolódó cukorláncok biztosítják a molekula különleges, fagyálló tulajdonságát.) Ez a pár nukleotidányi régió sokszorozódott meg vagy az ősi tripszinogén-duplikátum deléciója előtt, vagy az után (az ábrán utóbbi látszódik, bár szerintem az előbbi valószínűbb), létrehozva egy olyan molekulát, amelyet a hasnyálmirigy termel, majd a belekbe ürít (akárcsak a tripszinogént), ahonnan (és ez viszont nem szokványos!) képes a nem-megemésztődve a vérbe felszívódni.

Summa summarum, a biológusok szemét gyönyörködtető jószág ez a jéghal, de különlegessége napjainkban egyben gyengesége is: az óceánok felmelegedésével (és itt néhány tized fok is sokat számít) csökkenni fog az oxigénoldó képességük, ami könnyen a magas oxigén szaturációtól függő jéghalak halálát okozhatja...

(Bővebben errefele lehet olvasni a kis aranyosokról: Evolution: The triumph of an idea ill. The making of the fittest - melynek szóbanforgó első fejezete itt lelhető)

Mint azt mind a külföldön, mind Mo-n folyó kampányok hangsúlyozzák, tejet inni jó dolog, hiszen tápláló és a benne levő kálcium gátolja a csontritkulást. S még ha néha meg is akad a tekintetük egyes boltok "laktóz-mentes" tej-készítményein, a legtöbben úgy gondolják, hogy ezeket valamilyen speciális étel-allergiában szenvedők vásárolják.

Pedig az ún. laktóz-(tejcukor)intolerancia egyáltalán nem egy ritka állapot, a Föld felnőtt lakosságának többsége képtelen megemészteni a tejcukort. Emiatt, ha ők tejet isznak, annak hasfájás, gyomorgörcs, hasmenés a vége.

Az egészben az a furcsa, hogy gyerekként mindannyiunk számára fontos tápanyagforrást jelent az anyatejben rejlő cukor és ennek megfelelően boldogan meg is emésztjük (ezzel a felnőtt korukban tejcukor-érzékenyeknek sincs gondjuk). De a tinédzserkor hajnalán egyesekben kikapcsolódik a laktóz lebontását végző enzim, a laktáz termelése. Ennek meg van a maga logikus oka is: ezeknek az embereknek a környezetében (pl. aboriginek, kínaiak, számos dél-kelet ázsiai és afrikai földművelésből élő törzs) felnőttként a szervezet már nem találkozik tejjel, így aztán fölösleges az abban levő cukrot lebontó enzimet továbbra is termelni. Vagyis a laktáz (LCT) gén expressziója kikapcsol.

Számunkra, emberek számára ez az ősi, "normális" állapot és a laktáz időn túli szintetizálása az evolúciós újdonság. Ez valamikor az állat-szelídítés elterjedésének idején jelent meg, amikor a tehenek, azaz a tej közelsége mindennapos lett. Ilyen körülmények között a laktáz jelenléte már előnyt jelentett, hiszen egy gazdag és viszonylag állandó tápanyagforrás kiaknázását tette lehetővé.

A laktáz gén bekapcsolva hagyása a szabályozó régiójában bekövetkezett nukleotida változáshoz köthető, és a bennünk, európaiakban, leggyakrabban jelen levő, C->T nukleotida polimorfizmus ~14 kb-ra található magától a géntől (történetesen egy tök másik gén, az MCM6 egyik intronjában, jól példázva, hogy a szabályozó régiók nem tisztelik a klasszikus definíciók gén-határjait). Innen a neve is: C/T_-13910. (A teljes képhez tartozik, hogy Európán belül északon a lakosság több mint 90%-a laktóz-toleráns, délen azonban csökken ez az arány és a spanyoloknak csak kb. a fele birkózik meg a tejcukorral.)

De, mint arra frissiben fény derült, ez a polimorfizmus (SNP) nem jellemző más, nem európai eredetű, laktóz-toleranciával rendelkező csoportokra. Számos kelet-afrikai pásztorkodással foglalkozó nomád törzs esetében nyoma sincs a C/T_-13910 SNP-nek, ugyanakkor ezekben a populációkban is magas a laktóz-tolerancia aránya. A Kenya, Szudán és Tanzánia területén elő csoportokban más, a laktóz lebontással kapcsolatba hozható polimorfizmusokat leltek a laktáz gén közelében - érdekes módon egyébként szintén kb. 14 kb-ra magától a géntől.

Az újonnan felfedezett polimorfizmusok közül három volt nagyon jellegzetes, ezek a G/C_-14010, a T/G_-13915 és a C/G_-13907. S bár mindhárom esetében kimutatható, az általuk szabályoztt gén aktivitásának növekedése, a minták egyenlőtlen eloszlásából adódó statisztikai malőrök miatt, csak az elsőről állíthatjuk nagy bizonyossággal, hogy a C/T_-13910-hez hasonlóan a laktóz-tolerancia okozója.

(A mellékelt ábrán látható a laktáz és MCM6 gének körül található 98 kb-nyi régió nukleotida-polimorfizmusainak népességeken belüli eloszlása, ill. a különböző elolszlások egymással való rokonsága - a nyíl a szóban forgó DNS szakasz ősi alapállapotát (haplotípusát) jelöli.)

A C_-14010 allél durván 5,000-7,000 éve alakult ki (a fent is használt jelölésben a G az adott helyen levő nukleotida ősi állapotát mutatja), ami megfelel a pásztorkodás kelet-afrikai elterjedésének.

A tejcukor emésztési-készség, azaz laktóz-tolerancia kialakulása talán a leglátványosabb példája (eddig) a konvergens molekuláris evolúciónak: mivel egy adott tulajdonság (ez a felnőttkori tejivás) előnyt biztosított több, különböző ember-csoport számára, egymástól függetlenül kialakult egy hasonló megoldás ennek biztosítására: a laktáz gén kései aktivitásának biztosítása. És mivel a fent említett polimorfizmusok egymáshoz viszonylag közel vannak, még az is feltételezhető, hogy mind egyazon (most még ismeretlen) transzkripciós-faktor kötődését szabályozzák.