tg-cbmass-20121025

Mint azt két hete már beígértem, most az Ostrander laboratórium egyik legutóbbi eredményéről lesz szó, amiben a különböző kutya szőrtípusok genetikai eredetének erednek nyomába. 

Kettős megközelítést használtak: egyrészt azt figyelték, hogy léteznek-e olyan genetikai markerek, amelyek hosszú szőrű/ drótszőrű/ pofaszakállás fajták egyedeiben szinte kivétel nélkül jelen vannak, míg más fajtákban nagyon ritkák. Másrészt kiemelten foglalkoztak egy olyan fajtával, ahol mindezen szőrzet jegyek egyaránt megfigyelhetők: a tacskókról van szó.

Az eredmények egyik érdekessége, hogy a legváltozatosabb fajok esetében ugyanazokat a mutációkat tudták az említett szőrzetjegyekért felelőssé tenni, a másik pedig az, hogy több, megvizsgált farkaspopulációból ezek a mutáns allélvariánsok egyaránt hiányoztak, vagyis a mutációk az ebszelídítés során alakultak ki, és nem pusztán már eredendően, egy ősi populációban meglevő genetikai sokszínűségről van szó, amelyből az emberi ízlés választott ki aztán valami neki tetszőt.

Legelőször a pofaszakállért és kiemelkedő szemöldökért felelős gént azonosították. A markerek mind a tacskók (B), mind a több fajtára kiterjedő vizsgálat esetén (C), a 13. kromoszóma egy adott régiójára mutattak. Itt a R-spondin-2 (RSPO2) gén található, ami azért izgalmas, mert ez bizonyítottan össze tud játszani egy olyan jelátviteli útvonallal (az ún. kanonikus Wnt-el), amelynek közismerten fontos jelentősége van a szőrszálak kialakításában.

A mutáció érdekessége azonban az, hogy nem okoz változást az RSPO2 fehérje szekvenciájában, ugyanis egy olyan (167 bp hosszú) inszercióról van szó, amelyik az mRNS nem-fehérje kódoló régiójába esik. Hatására azonban a bőrben háromszorosára nő az RSPO2 átíródása, és ez állhat a jellegzetes fenotípus mögött.

Hasonló logikával azonosították a szőrhosszt, ill. a drótszőrűség jelenlétét befolyásoló géneket. Előbbiért egy növekedési faktor, az FGF5 a felelős, míg utóbbiért egy keratint kódoló gén , a KRT17 a felelős. Mindkettő logikus jelölt, az előbbit talán nem kell részleteznem miért (szőrhossz, növekedési faktor, kössük össze a pontokat...), míg utóbbinál annyit kell megjegyezni, hogy a keratin lényeges komponense minden szaruképződménynek, így a szőrnek is. Mindkét mutáció a gének által kódolt fehérje aminosavsorrendjében okozott változást: az FGF5 esetében Cys⁹⁵Phe változás vehető észre, míg  KRT17-nél egy Arg¹⁵¹Trp.

Mint a poszt elején utaltam rá, Ostranderék egy hatalmas genom-adatbázist végignyálazva arra jöttek rá, hogy ezek a mutációk szinte minden fajtában (egész pontosan az esetek 95%-ban) megmagyarázzák a különböző szőrzetek formáját. (Kivétel azért akad: a hosszú szőrű afgán agarak esetében a fenotípus egyáltalán nem mutat kapcsolatot az FGF5 körüli kromoszómarégióval, és a szóbanforgó mutációnak sem lelték nyomát.)

A rövid szőrű fajtáknál (A) mind a három génnek az ősi, "vad típusú" allélja lelhető fel. Pofaszakállasoknál (B), az RSPO2 mutáns allélja van, míg pofaszakállal rendelkező drótszőrűeknél mutáns RSPO2 és KRT17 lelhető meg (C). A hosszú szőrű golden retriever a mutáns FGF5 allélt hordozza (D), míg a szakállas colliek emellett egy mutáns RSPO2-t is (E). Satöbbi, lásd mellékelt ábra. 

A témához csak érintőlegesen kapcsolódik, de azért mégis idekerül: Ostranderék kutatásáról először aznap hallottam, amikor a cikk felkerült a Science honlapjára, történetesen "személyesen" Elainetől. Azért idézőjelben, mert ugyan élőben hallottam az egész sztorit, ő maga fizikailag nem volt jelen az edinburghi fejlődésbiológia konferencián, hanem otthonról, telefonon nyomta le az egész prezentációját. Ami azért is tanulságos, mert jól mutatja, hogy nagyon is lehet olyan konferenciákat szervezni, ahol az előadók egy része nincs jelen. Sőt: ugyanaz a technika, aminek segítségével egy-egy szomszédos terem kivetítőjére át tudják játszani a megtelt előadók képanyagát, simán alkalmas lenne arra is, hogy az internetre feltegyék azt, vagyis sokkal szélesebb hallgatóságot elérhetnének, mint így. Jómagam egyébként igen szkeptikus vagyok azokkal az utópisztikus jövőképekkel, hogy hamarosan olyan konferenciák lesznek, ahol senki nem mozdul ki otthonról, hanem hatalmas képernyők biztosítják a szinte tökéletes "együttlét" élményt a világ távoli pontjain levő emberek számára, mert a valódi hús-vér interakciót ez nem váltja ki. De lesznek olyanok akik nem tudnak elmenni egy-egy konferenciára (anyagi, vagy személyes okból) és ilyen esetekben nagyon-nagyon hasznosak lehetnek az efajta technológiai újítások: hiszen a tudomány célja végső soron az, hogy minnél több emberhez eljusson egy-egy új felfedezés, kutatási eredmény híre.      

(A három kistacskó képe a dachshundlove blogról származik.)

A placebo hatás egyik legérdekesebb formája a fájdalomérzet csökkenése, olyan helyzetekben, amikor egyszerűen elhitetjük magunkkal, hogy ami történt nem is fáj, vagy ha fájt is, valamely (általában fiziológiásan irreleváns) cselekedetünk hatására a fájdalom minimalizálódott. 

Klasszikus példája ennek a szülői gyógypuszi, vagy amikor egyszerű, glicerines kenőccsel kezelnek fájó testrészeket, azt "fájdalomcsillapítóként" beharangozva.

Az igazi kérdés persze az, hogy miként is működik a placebo hatás? Miért nem érezzük a fájdalmat? Megszületik a fájdalomérzet, de a felsőbb agyi központokban valamiképpen felülíródik, vagy esetleg már az agyba el sem jut a fájdalomérzet?

Ezt tesztelendő, hamburgi kutatók egy csoportja mágneses rezonancia (fMRI) segítségével vizsgálta a placebo hatását testalanyok gerincoszlopában.

A paradigma egyszerű volt: azonos összetételű "fájdalomcsillapító" és "kontroll" krémet használva előbb kondicionálták a vizsgálati alanyokat: aki a "kontroll" kenőcsöt kapta az egy kifejezetten fájdalmas ingert kapott, míg a "fájdalomcsillapítós" csoport egy sokkal enyhébbet. (Ez fontos volt, hogy mindenki valóban elhiggye, a "fájdalomcsillapító" használ.) Ezt követően jött az igazi vizsgálat: a "különböző" kenőcsöket applikálva, egy köztes erősségű ingert használtak. Természetesen (ez ma már nem meglepő és nem is kérdés), a placebo jól működött, és akik azt hitték, hogy egy komoly analgézikus készítménnyel kenték be őket, szinte semmi fájdalmat nem éreztek, ellentétben a "kontroll" csoportos társaikkal. Ami figyelemreméltóvá tette a vizsgálatot az az, hogy a tipikus, fájdalom-specifikus gerincvelői aktivitás is eltűnt a placebo csoportban.

Vagyis ezekben az emberekben a fájdalomérzet soha nem is jutott el az agyig. Hogy pontosan miért nem, arról csak találgatni tudunk, de egy nagyon is jó okunk van feltételezni, hogy az ún. leszálló fájdalomgátló pályáknak kulcs szerepe van a folyamatban. Ezek az opiát típusú neurotranszmitterekkel "dolgozó" pályák klasszikusan arra szolgálnak, hogy különleges stressz helyzetekben (pl. ha harcolni kell, vagy menekülni) tompítsák a fájdalomérzetet. Úgy tűnik azonban, hogy az emberekben az (ön)szuggeszció képes a placebo hatás szolgálatába is állítani őket.        

Ha valaki szeret elgondolkozni a kutyavilág sokféleségén, akkor érdemes a fejébe vésnie Elaine Ostrander nevét, mivel a hölgy (és laboratóriuma) jelenleg igencsak bő forrása a legkülönbözőbb jellegek genetikai térképezésének. Az ő nevéhez fűződik, a kis eb-termet és az IGF1 gén adott allélja közti összefüggés megállapítása, a végtaghossz-különbözőségek fejlődési okának beazonosítása (jelen poszt témája), illetve a különböző szőrzettípusok genetikájának tisztázása (erről, remélem, hamarosan).

A rövid végtaggal rendelkező kutyák (pl. tacskók, bassett houndok) esetében, az már régóta világos volt, hogy egy örökletes fejlődési rendellenességről van szó: valamilyen oknál fogva azok a sejtek, amelyek a csont növekedését kellene szolgálják, idő előtt befejezik az osztódást és maguk is "elcsontosodnak". (A deformált és rövid végtagok jelenlétének klinikai neve chondrodysplasia.) A miértre azonban eddig nem tudtuk a választ.

Ostranderék egy hatalmas adathalmazt gyűjtöttek össze, több száz kutya genomját (és a benne levő genetikai polimorfizmusokat) képesek megvizsgálni rövid idő alatt, aminek oroszlánrésze van abban, hogy viszonylag gyorsan tudnak érdekes tulajdonságoknak a genetikai okaira rákeresni.

Számos rövid ill. hosszú lábú eb fajta összehasonlításából aztán kitűnt, hogy a jelleg nagyon is kapcsolódik a 18. kromoszóma egy adott részén felfedezhető polimorfizmusokhoz, ami kevésbé szakzsargonban azt jelenti, hogy valahol ezek mellett van az a mutáció, amihez a jelleg köthető.       

Érdekes módon, a standard kutyagenomban nem nagyon lehet fellelni egyetlen izgalmas gént sem a közelben, aminek egészen prózai oka van: nem egy "tradicionálisan" itt levő génben van a mutáció.

A chondrodypláziás kutyák esetében egy hívatlan vendég jelent itt meg: egy fgf4 retrogén. Mit is jelent ez: az fgf4 normál esetben egy négy exonból és három intronból álló gén (érdekes módon szintén a 18. kromoszómán van, de valahol nagyon máshol, mint a vizsgált régió). Az intronok aztán a transzkripció során/után kivágódnak, és így jön létre a bő 600 bázispár hosszúságú mRNS, ami aztán a fehérje szintézissorán lefordítódik. A vizsgált retrogén azonban egyáltalán nem rendelkezik intronokkal: szekvenciája szinte hajszálra megegyezik az érett mRNS-ével, aminek az a prózai oka van, hogy abból keletkezett. Egy véletlennek köszönhetően, egy ivarsejtben, feltehetően a retrotranszpozon aktivitásának köszönhetően jelenlevő reverz transzkriptáz a transzpozon saját genetikai állománya mellett egy fgf4 mRNS molekulát is "visszafordított" DNS-re, visszacsempészve a genomba. Az így keletkező új "retrogén" történetesen olyan szabályozó szekvenciák közelébe került, amelyek a fejlődés egy adott (csontfejlődés szempontjából kritikus) szakaszában aktiválják a gént a csontnövekedésért felelős sejtekben, amely nem kívánt aktivitásnak aztán egyenes következménye a chondrodyspláziás fenotípus.

A megfigyelés nem teljesen meglepő, mert egerekben és emberekben egyaránt az FGF jelátviteli úthoz lehet gyakran kötni a hasonló jellegű betegségeket. Ami azonban nem triviális, hogy a sok, egyébként igencsak különböző, rövid lábú fajtában ugyanaz a ritka mutáció felelős a jelleg megjelenéséért. Ez ugyanis azt jelenti, hogy még a kutyaszelídítés hajnalán jelent meg ez a mutáció a kutyaállományban és azóta is fennmaradt az emberi ízlésnek és gondoskodásnak köszönhetően.   

Rövidre fogva, a kémiai Nobelt idén a mellékelt ábrán látható gyönyörű és bonyolult struktúra feltárásáért ítélték oda (és ezzel immár sokadik éve, hogy ez a díj biokémiai jellegű felfedezésért lel gazdát).

A három díjazott, Venkatraman Ramakrishnan, Thomas Steitz és Ada Yonath egyaránt sokat tett, hogy előbb a bakteriális, majd az eukarióta riboszómák struktúráját megismerjük, és ha van olyan felfedezés, amelyet rengeteg gyakorlati haszon követett, ez biztosan az.

A riboszomális 3D struktúra lehetővé tette, hogy rekonstruáljuk, miképpen is zajlik a fehérje szintézis, és közvetetten új távaltokat nyitott az antibiotikum kutatásban: hiszen a struktúra ismeretében célzottan lehet olyan molekulákat keresni, amelyek a prokarióta transzlációnak keresztbe tesznek, miközben az eukarióta megfelelőjét nem zavarják.

(A felhasznált ábra az Explore Origins oldalról származik.)

Szóval, miről is van szó. A telomérák az eukarióta kromoszómák végén levő rövid, ismétlődő szakaszok, amelyek a kromoszómán levő DNS fennmaradó részét védik az élőlény élete során.

Először Elizabeth Blackburn fedezte fel őket, egy csillós egysejtűt, a Tetrahymenát vizsgálva. Pontosabban, akkor még nem tudták mit is fedeztek fel, csak annyi látszott, hogy a kormoszómák végén rövid, repetitív szekvenciák vannak, amelyek funkciója teljesen misztikus volt.

A kulcskísérlethez a löketet egy konferencia hozta, ahol Blackburn megismerte Jack Szostak munkáját. Szostak ekkortájt mesterséges kromoszómákkal foglalkozott, amelyeket élesztő sejtekbe vitt be és figyelte, hogy mennyiben viselkednek különbözően az élesztő saját kromoszómáitól. Bosszúságára folyamatosan azzal kellett szembesülni, hogy a mesterséges kromoszómák populációs szinten instabilnak bizonyultak, és néhány generáció után egyszerűen eltűntek. Blackburnnel közösen egy triviális kísérletre vállalkoztak: megnézni, hogy mi lesz, ha a Tetrahymena ismétlődő szekvenciáit ráteszik a mesterséges kromoszómák végére. A mai tudásunk számára nem túl meglepő, amit láttak: a kromoszómák éltek és virultak.

Később Blackburn egyik poszt-dokja, a díj harmadát kapó Carol Greider, azt is bebizonyította, hogy a furcsa kis ismétlődéseket egy enzim, a telomeráz hozza létre.

De mire való ez a furcsa rendszer? Az egészre az eukarióta sejtek sajátosságai, és a DNS másolás sutasága miatt van szükség. Ez a sutaság abból ered, hogy a DNS polimerázok csak 5'-3' irányban képesek dolgozni. 

Amikor a replikációs villa elindul ez azt is jelenti, hogy az egyik szálon gyakorlatilag végig tud futni ugyanaz a polimeráz (ez az ún "leading strand"), mígy a szembenlevő, komplementer szálon ('lagging strand'), ahogy az kinyílik folyamatosan kisebb replikációs egységek jelennek meg. Ezek az Okazaki fragmentumok. (Itt egy részletesebb leírás a DNS replikációról, a PTE honlapján.) 

A DNS polimerázok másik jellegzetessége, hogy nem tudnak csak úgy belecsapni a lecsóba, s csak akkor képesek elindítani a szintézist, ha már van mihez kapcsolniuk a nukleotidokat, vagyis szükség van egy primerre. Ezek apró RNS darabok lesznek, amelyek aztán később elemésztésre kerülnek. Így persze az Okazaki fragmentumok közt apró rések keletkeznek, de ezeket már könnyű betömni, hiszen az előző fragmentum szolgál majd primerként a polimeráz számára. Egy kivétel van, az utolsó (pontosabban legelső), az 5' végen levő primer. Ezt nem lehet pótolni, mert előtte már nincs senki. Így amikor ez elemésztődik, egy egyszálú templát-DNS darab fog kilógni a kromoszóma végén. Ugyanez igaz a leading strandre is, hiszen ez is egy RNS primerről indul, és az általa lefedett szekvenciarész nem lesz pótolható.

A sejtekben a polimerázok mellett nukleázok is találhatók, olyan enzimek, amelyek DNS-t emésztenek, különösen akkor, ha az egyszálú és a vége a semmibe lóg. (Megj: baktériumok esetében a DNS körkörös plazmidokon helyezkedik el, ott nem is létezik ez az egész probléma.) Azaz minden egyes sejtosztódáskor a kormoszómák végéből lecsípődne egy darab. Ez nem lenne túlzottan adaptív, és erre jelentenek megoldást a telomérák és a telomeráz enzim.

A telomeráz enzim egy apró RNS templátot felhasználva, gyorsan képes újakat szintetizálni a telomérákból, ami a kormoszóma meghosszabbodásához vezet, illetve friss replikáció esetén, a leemésztődő szekvenciák pótlására szolgál. Azaz a rendszer lehetővé teszi, hogy az eukarióta replikáció egyáltalán működjön, folyamatos genetikai anyag elvesztegetés nélkül. 

Ha a rendszer elromlik (túl aktívvá válik, vagy belassul) az gondot jelent. A rák és az öregedés esetében figyelhetünk meg ilyesmit.