tg-cbmass-20121025

Nem mehetek el amellett szónélkül, ha a világ második legokosabb élőlényét gyalázzák ;-), már csak azért sem, mert a szóbanforgó cikk számomra eléggé légből kapottnak tűnik.

A gerincesek intelligenciáját általában az agy/test súlyaránya (illetve az agykéreg felületét növelő barázdák) alapján szokták ábrázolni, főleg azért mert úgy tűnik, hogy létezik egy laza egyenes összefüggés ezek között. Egy másik módszer (emlősök esetén) az encefalizációs koeficiens (EQ) számítása, amely az átlagos emlős mérethez viszonyítja a vizsgált állat agyát. Na most, ezeken a skálákon, a bálnák, bár abszolút értékben hatalmas agyuk van, egyáltalán nincsenek előkellő helyen, mert a testükhez mérten agyuk kifejezetten kicsi (bár érdemes megjegyezni, hogy nagyon nagy- ill. nagyon kisméretű állatok esetén az összefüggés elég megbízhatatlanná válik), viszont a delfinek valóban kedvezően hasonulnak az emberekhez (lásd itt is). Igazából az ismert adatok fényében ez nem túl meglepő, hiszen azért a delfinek képesek megtanulni kommunikálni az emberekkel, bonyolult szociális hálót fejlesztenek ki, vidáman tájékozódnak echolokációval a legsötétebb vizekben is, sok jel szerint felismerik önmagukat a tükörben - mindez számomra meglehetősen "kifinomult viselkedésnek" tűnik, nem tudom mi kellene még ahhoz, hogy Manger professzor mércéjét is megüssék...

Az evolúció nagy lépéseinek egyike (legalábbis az evolúciós fa egyes ágain) a többsejtűség kialakulása volt. Előnyei nem igen vitathatóak - hiszen a több sejt nagyobb munkamegosztást tesz lehetővé, amely révén összetettebb feladatok oldhatóak meg -, ugyanakkor még ma is keveset tudunk arról, hogy pontosan milyen mechanizmusok tették lehetővé megjelenését.

A többsejtű szervezetek megjelenésének egyik legfontosabb velejárója, hogy már a fejlődés kezdeti szakaszában elkülönülnek a testi, avagy szomatikus sejtek a szaporodásban később résztvevő ivarsejtektől. Kicsit sarkítva akár úgy is fogalmazhatunk, hogy a szomatikus sejtek önzetlen beáldozzák szaporodási képességüket, a (sejt)közösség, azaz az élőlény szaporodási sikerének maximalizálása érdekében.

Most páran nekiláttak megvizsgálni, hogy miként történik ez a szomatikus-ivari szerepfelosztás egészen egyszerű többsejtes szervezetek esetében. A választás a klasszikus tankönyvi példára a zöld alga sejtekből álló labdára emlékeztető Volvox carteri-re esett, amely több egysejtű zöldalgával együtt a Volvocales csoporthoz tartozik.

A V. carteri mintegy 2000 sejtjéből mindössze 16 ivarsejt, ezek a fejlődés során a hatodik sejtosztódás során jönnek létre, amely asszimetrikus utódsejteket eredményez. A kisebb szomatikus őssejtek aztán még vagy 10-11x újból osztódnak, és végül csillókkal ellátott sejtekké differenciálódnak, amelyek elősegíti, hogy a Volvox mindig a számára optimális megvilágítású helyen lebegjen a vízben.

Mint korábban kiderült, a szomatikus sejtdiffrenciálódás szükséges és elégséges feltétele a regA nevű gén átíródása. Ez a gén aztán meggátolja a kloroplaszt (a napfényt kémiai energiává alakító sejtszervecske) kialakításához szükséges más gének transzkripcióját, s kloroplasztok hiányában a sejtek nem tudnak növekedni, növekedés nélkül pedig nem tudnak osztódni sem - szöges ellentétben az ivarsejtekkel.

Honnan ered hát ez a szabályozás? Ennek megválaszolására egy egysejtű Volvocalesben, a Clamydomonas reinhartdii-ban is megkeresték a regA megfelelőjét. (Ez nem volt teljesen triviális, mert bár a gén kulcsmotívumai jelen voltak, a két szervezetben a gén elég különbözővé alakult az évmilliók során.) S érdekes módon ez a regA homológ is csak akkor fejeződött ki, amikor az egysejtű alga sötétben volt, vagyis napfény és a belőle származó energia hiányában kénytelen volt saját osztódó mechanizmusát kikapcsolni!

Összefoglalva, úgy tűnik, hogy nem történt más, mint egy már meglevő mechanizmus, amely környezeti hatásokra kikapcsolta az osztódást (azaz időben szétválasztotta a sejt két állapotát), új funkciót nyert (szépen mondva kooptálódott) s a szomatikus- és ivari sejtvonalak (térbeli) szétválasztásában kezdett szerepet játszani.

Hogy a Volvox által használt mechanizmus mennyire volt általános a többsejtűség megjelenésében, természetesen még nemigen tudható, de mindenesetre egy ügyes trükköt láthatunk. Ráadásul újból csak megerősíti azt amit már sokszor, sok helyen elmondtak: új tulajdonságok megjelenésében kulcsszerepe volt a már létező, de addig másra használt mechanizmusok "újradrótozásának" (szabályozásuk megváltoztatásának).

Nem igazán múlhat el hét valamilyen Hox gén sztori nélkül (max. az én hibámból ;-)), szóval lássuk, mi is keltett az elmúlt napokban nagy hírverést biológus berkekben (s mint a végén látni fogjuk, nemcsak ott).

A post témájaként szolgáló kísérlet szellemes, ugyanakkor technikailag egyáltalán nem egyszerű, s bár számos fontos dolgot sikeresen példáz, a nemzetközi és hazai média kicsit túllőtt a célon a cikk ismertetésekor.

Zanzásítva, a kísérlet során azt vizsgálták, hogy mennyire fedhetnek át a különböző Hox-klaszterekben elhelyezkedő paralóg gének funkciói, illetve mi az, ami miatt mégis különbözik a szerepük a szervezet fejlődése során. Mivel ez a nem szakmabeliek számára elég meredekül hangozhat, lássuk csak egy kicsit bővebben, miről is van szó.

A blog visszatérő motívumaként szuperáló Hox gének a test hosszanti tagolásáért felelnek és ebben igen fontos szerepe van a kollineáris kifejeződésüknek, ami röviden annyit tesz (mint a mellékelt ábra is mutatja), hogy a gének kromoszómán megfigyelhető sorrendje egyben azt is tükrözi, hogy az embrió fejlődése során miként fejeződnek ki az embrionális hossztengely mentén. Ma már egyre jobb képünk van arról, miként is alakulhatott ki ez a bűvös, kollineáris Hox-klaszter (a közeljövőben még lesz erről szó), de azért még rengeteg megválaszolatlan kérdés is van. Pl. hogy miért is küzdenek látszólag az állkapcsos gerincesek a bőség zavarával, hiszen különböző genomduplikációk okán és nyomán négy darab Hox klaszter van genetikai állományukban, azaz kis túlzással olyan, mintha minden egyes Hox génből négy kópia lenne (valójában nem mindegyikből van négy, de min. kettő azért előfordul). Holott az evolúció szereti kiszórni a redundáns funkciójú géneket, vagyis az a fogas kérdés merül fel, hogy a látszólag egyforma Hox gének valójában teljesen egyformák-e.

Hogy lassan a lényegre térjek, az ominózus cikk szerzői a Hox1 paralógokat vizsgálják. Pontosabban a utóagyban kifejeződő (lásd fenti ábra) és annak fejlődésében szerepet játszó Hoxa1 és Hoxb1 funkcióit hasonlították össze (azért csak ezt a kettőt, mert Hoxc1 nincs, ez a gén elveszett a harmadik Hox-klaszterből, a Hoxd1 pedig nem játszik szerepet az emlős-utóagy fejlődésében). A két génről annyi volt tudott, hogy mutációik az utóagy szegmenseinek, a rhomboméráknak helytelen fejlődését okozzák, amiből aztán mindenféle - sokszor letális - galiba adódik (a Hoxb1 mutációja egyes arcizmok mozgatóidegeinek elsorvadását okozza). Illetve arra is rájöttek korábban, hogy a Hoxa1 részt vesz a Hoxb1 átíródásának szabályozásában.

A kísérlet során "egyszerűen" kicserélték a két gént, a Hoxa1 fehérje kódoló szekvenciájának helyére a Hoxb1 megfelelő szekvenciáját szúrták, illetve vice versa (a létrejövő mutáns, a klasszikus nomenklatúra értelmében a Hoxa1^B1(g)/B1(g)Hoxb1^A1(g)/A1(g) nevet nyerte a keresztségben). A keletkező kisegerek vígan élték világukat, azaz a felületes szemlélő könnyen arra a a következtetésre juthatott, hogy a két fehérje mindössze 49%-os hasonlóságuk ellenére (ami azért a kulcsfontosságú DNS kötő régióban 85%-os) teljesen azonos funkciót lát el.

De mialatt a két gén különböző allélkombinációit vizsgálgatták, néhány dolog azért szemet szúrt a kísérletezőknek. Ugyanis amíg a Hoxa1^+/+Hoxb1^+/- genotípusú egerek jóformán megkülönböztethetetlenek nem mutáns (azaz Hoxa1^+/+Hoxb1^+/+) társaiktól, addig a Hoxa1^+/+Hoxb1^A1(g)/- egérfiókák a Hoxb1 mutánsokhoz (Hoxa1^+/+Hoxb1^-/-) hasonló arcbénulással küzdenek (az ilyen egerek, ha egy szívószálon keresztül az arcukba fújunk, nem hunyorítanak), ugyancsak a mozgató arcideg hiánya miatt (lásd a fenti ábra második sorát). Érdekes módon a Hoxa1^B1(g)/B1(g)Hoxb1^A1(g)/- genotípusú egerek többsége viszont normális e téren, azaz a kísérletek erősen azt sugallták, hogy a két gén azért mégsem teljesen egyenrangú.

Hogy megértsük, miben rejlik a különbség, ahhoz néhány szót kell ejtsek a Hox1 gének szabályozásáról. Alapvetően két szabályozó elem fontos, az egyik, amely a retinolsav gradiens mentén aktiválja a Hoxa1 expresszióját (RARE - retinoic acid regulatory element) - ezt a jobb oldali ábrán egy zöld kör jelöli -, a másik pedig egy önszabályozó elem (ARE - auto regulatory element), amely segítségével a Hoxa1 aktiválja a Hoxb1-et illetve utóbbi önmaga átíródását is elősegíti - ez pedig a kék rombusz. A Hoxa1 után egy igen aktív RARE van, de az előtte levő ARE elsatnyult, a Hoxb1 esetében pedig éppen fordított a helyzet. Summa summarum, a kísérletek során arra derült fény, hogy a Hoxb1 sokkal jobban képes az ARE elemen keresztüli aktiválásra, mint a Hoxa1. Ezért néznek ki viszonylag normálisan a Hoxa1^B1(g)/B1(g)Hoxb1^A1(g)/A1(g)egerek, ahol végső soron megfelelő mennyiségű Hox1 géntermék jön létre a felcserélt gének kölcsönhatása révén, illetve ezért arcbénulásosak a Hoxa1^+/+Hoxb1^A1(g)/- társaik - itt a Hoxb1 helyén levő Hoxa1 gén hemizigóta állpotban nem képes saját átírását eléggé felpörgetni.

Na, akkor ezek után jöjjön az a kísérlet, amire rápörgött a világsajtó. Legvégül arra lettek kíváncsiak a kutatók, hogy mi lesz, ha a Hoxb1 helyett egyszerűen az előtte levő aktív ARE-t szúrják be a Hoxa1 elé (s közben a Hoxb1-et szépen elrontják). Gondolom, már nem meglepő, hogy a Hoxa1^{ARE(g)/ARE(g)}Hoxb1^-/-egerek teljesen normálisnak tűntek.

Na, akkor hogy is jön ez az egész az evolúcióhoz. A különböző genomszekvenálgatások és más örökítőanyag-vizsgálatok egyik hozadéka, hogy ma eléggé úgy tűnik, hogy az állkapcsos gerincesek közös ősében mindenféle kromoszómaduplikációk során egyszerre négy, egyenrangú Hox1 gén lehetett jelen, amelyek éppen megfelelő mennyiségű Hox1 fehérjét hoztak létre retinolsav- és önreguláció során, hogy az utóagy és a különböző utóagyi idegek normálisan kialakuljanak . Az emlősökhöz vezető evolúciós úton aztán az egyik Hox1 gén (a Hoxc1) elveszett, egy másik (Hoxd1) szabályozása elsatnyult, a maradék kettő pedig ellenkező irányban variálgatta RARE és ARE szabályozó elemeinek érzékenységét. Ennek eredményeképpen összességében a Hox1 fehérjeszint alig változott, bár kombinatorikusan teljesen más úton jön létre.

Azaz a médiában használt "visszafordították egérben az evolúciót" cím abban az értelemben teljesen félrevezető, hogy sohasem létezett olyan egér, amelynek egyetlen Hox1 génje lett volna, ellenben a kísérletsorozat nagyon szépen példázza azt, hogy genomduplikációk után az egyes gének a szabályozó elemeik változtatgatásával feloszthatnak maguk között kezdetben közös feladatokat, azaz szubfunkcionalizálódhatnak.

Ha rákos daganato, azaz rosszindulatú tumorok kerülnek szóba, akkor hajlamosak vagyunk szinte kizárólag csak olyan sejtvonalakra gondolni, amelyek adott szervezeten belül ilyen-olyan módon összeszednek bizonyos mutációkat, amelyek aztán lehetővé teszik, hogy gátlás nélkül osztódjanak, kapillárisokat édesgessenek magukhoz (hogy így tápanyagokhoz jussanak) és ide-oda vándoroljanak a véráramba, más szövetekben áttéteket hozva létre. Az általános képbe azonban nem tartozik bele, hogy a dagantos sejteket, mint egy ragályos betegség ágenseit lássuk, amelyek parazitaként más egyedekre is képesek átterjedni. Pedig léteznek ilyen rákos megbetegedések (ha nem is túl sok), egyik pl. az ebekben Sticker szarkómaként ismert kór.

A betegség viszonylag régóta ismert, ám eddig inkább csak indirekt bizonyítékok támasztották alá ragályos jellegét. Úgy tűnt, hogy a kutyák párzás közben, vagy mindössze a betegség során létrejövő daganatok nyalogatásával képesek terjeszteni a kórt. A friss Cell egyik cikke azonban elég kemény bizonyítékot szolgáltat arra, hogy egyértelműen ragályos betegségről van szó.

A kutatók a világ legkülönbözőbb pontjairól származó Sticker szarkómás kutyák tumorjainak genetikai állományát hasonlították a kutyák genetikai állományához, illetve egymáshoz. Mint kiderült, a tumoroknak nem sok közük volt gazdáikhoz, annál több viszont egymáshoz. Minden vizsgálat azt hozta ki, hogy a világ legkülönbözőbb pontjairól származó ebek tumorjai egy közös őstől származnak, és ez az ősi sejt valamikor 250-2500 éve (vagyis lényegesen később mint a kutyaszelídítés kezdete) jelent meg. A tüzetesebb vizsgálatok szerint az első "gazda" feltehetőleg egy farkas lehetett, vagy valamelyik, a farkassal közeli rokonságban álló ázsiai kutyafaj egyik egyede, és ennek a harapása nyomán indult világkörüli útjára a sejtvonal (azaz lényegesen öregebb mint a legöregebb laboratóriumi "rokona").

Felmerül persze, hogy fertőzéskor az új gazdaszervezet miért nem ismeri fel és pusztítja el az idegen sejtet? Azért, mert a sejt egy olyan trükköt vet be, amely révén az immunrendszer felismerési mechanizmusai becsapódnak. Ugyanis ezek a mechanizmusok azon alapulnak, hogy a szervezet sejtjei a felszínükön folyamatosan bemutatják a bennük levő fehérjék apró darabjait egy speciális receptor (MHC I) segítségével. Az immunsejtek képesek a saját fehérjedarabokat az idegentől megkülönböztetni és csak azokat a sejteket pusztítják el, amelyek idegen fehérjét prezentálnak a felszínükön. Azonban ha fertőzött sejt egyszerűen nem pakol a membránjába MHC I-et akkor értelemszerűen a szervezet nem tudhatja, hogy mi folyik benne. A Sticker szarkóma sejtjei éppen ezt a trükköt alkalmazzák.

Ami érdekessé teszi a dolgot az az, hogy ez a trükk más dagantos sejtekre is jellemző, így aztán lassan talán az a fogasabb kérdés, hogy-hogy (szerencsére) csak ilyen kevés ragályos rákos sejtvonal ismert...

(Akit érdekel, Carl Zimmer blogjában bővebben olvashat a témáról.)

Az elsősorban orvosi használatra kifejlesztett fejlett képalkotó eljárások tudományos alkalmazása néha arra is jó példa, hogy milyen amikor egy tipikus alkalmazott tudományos eszközt az alapkutatás szolgálatába állítanak.

Bár a British Museum múmia kiállítása után nem kellene ezen nagyon meglepődni, most mégis sokan leesett állal szemlélik, hogy milyen amikor a fent említett technológiát ősrégi fosszilis embriók vizsgálatára használják. Mint a képek is mutatják, az eredmény elég látványos, és a képek részletessége sokak reményeit felülmúlja.

A Nature-ben megjelent cikk szerzői synchroton röntgen tomográfiás mikroszkópokat használva pre-kambriumi embriókat (és más megkövült apró élőlényeket) vettek szemügyre. Már az is csoda, hogy az említett embriók az elmúlt év százmilliókat egyben kibírták, de a vizsgálat szerint gyakorlatilag az egyes sejtek is jól azonosíthatók bennük megfelelő szoftverekkel akár rekonstruálhatók is (pl. lásd a barnás és sárgás 3Ds alakzatokat a mellékelt ábrán).

Az eljárás egyik gyakorlati alkalmazása, hogy régóta folyó paleo-taxonómiai viták végére tehet pontot. Ilyen pl. hogy rendszertanilag melyik csoportba (volt) sorolható a Markuelia nevű, féregszerű lény. Az egyik elterjedt vélemény az obskurus tengeri férgeket magába foglaló Scalidorphák közé tartozik, az ellentábor azonban kitartóan állította, hogy egyfajta fonálféreg (Nematoidea). A két csoport között az egyik különbség az, hogy a Scalidorphák költhető garatjában jellegzetes elrendeződésben tüskés "fogak" vannak, amelyeket vadászás közben vetnek be.

Az új képeken pedig elég jól látható, hogy a felső-kambriumi Markueliák gartjában öt sor, elég élesnek látszó fogszerű képződmény foglalt helyet, azaz azoknak lett igazuk, akik Scalidorphának vélték őket.