tg-cbmass-20121025

A rovarok körében általában a két pár szárny dívik (gondoljunk csak a szitakötőkre vagy a bogarakra), amelyek a második ill. harmadik tor szelvényről erednek. Akad azonban egy rend, amely csak egyetlen pár hártyás szárnnyal rendelkezik, ez a Kétszárnyúak rendje, a Diptera. Ezekben a rovarokban a második pár szárny egy különleges egyensúlyozó szervvé, ún. billérré alakult - mégpedig, mint azt mindenki, aki valaha kergetett legyet vagy szúnyogot tudja, elég sikeresen...

Már hosszú ideje tudott, hogy a változás mögött egy homebox gén áll, az Ultrabithorax (Ubx), ui. mai napig a hometikus mutációk prototípusa az ebben a génben bekövetkezett bithorax mutáció, amelynek eredményeként a muslica billérjei helyett is szárnyak fejlődnek. Normális esetben ennek a homeobox génnek a terméke jelen van a billért hordozó harmadik tor szelvényben, és hiányzik a szárnyat hordozó másodikból, de hogy az Ubx azonban pontosan hogyan is fejti ki a hatását, az mindmáig homályban maradt.

A bal oldalon egy vad típusú (azaz normális) Drosophila látható, míg jobb oldalon egy Ubx mutáns. 

Most azonban a Science egyik cikke fellebbenti a fátylat (legalább is részben) az Ubx hatásmechanizmusának mikéntjéről. A szárnyak méretét a Decapentaplegic (Dpp) fehérje szabályozza - ha több van belőle, jobban osztódnak a sejtek - s a kísérletek tanúsága szerint ezen fehérje szabályozása változott meg a billérek kialakulása során.

A muslica lárva fejlődése során megjelenő szárny (wing - W) kezdemények egyáltalán nem hasonlítanak a kifejlett szárnyakra, inkább miniatűr nyalókáknak tűnnek, amelyek csak a fejlődés egy későbbi fázisában laposodnak el. Ennek a "nyalókának" a hossztengelyében - amely a későbbi szárny élének felel meg - fejeződik ki a dpp gén, s innen diffundál a róla átíródó Dpp fehérje a környező sejtek közé. Mint arra a kutatók felfigyeltek, a billér (haltere - H) kezdeményében sokkal kevésbé expresszálódik a dpp és a Dpp aktivitás (ezt a kék színű P-Mad jelöli) is kevesebb sejtben figyelhető meg. Sőt, hogy az ok-okozati összefüggést megerősítsék: a Dpp aktivitást felerősítve a billérben, annak mérete 40%-al megnőtt, a szárnyban csökkenő aktivitás pedig 30%-os méretbeli csökkenést okozott.

Mi lehet tehát a billérben Dpp aktivitás csökkenésnek az oka? Mind a szárnyban, mind a billérben a Dpp egyik receptora, a Thickveinless (Tvk) komplementer módon fejeződik ki a Dpp aktivitással. Ennek az az oka, hogy ahol a receptor jelen van, ott megköti a Dpp-t ezáltal mintegy kihalássza, kititrálja a sejtközi folyadékból, azaz a Dpp nem tud tovább diffundálni. Azonban míg a szárnyban a Tkv nincs (vagy alig van) jelen a Dpp-t kifejező sejtek környezetében, addig a billér kezdeményben a Tkv minden sejtben egyforma intenzitással jelen van - így aztán persze a Dpp aktivitás is kevesebb sejtben érzékelhető, hiszen hamar "elfogy" a fehérje a sejtek közül.

Az Ubx valószínűleg a Tkv egyik negatív szabályozója, a master of thickveinless (mtv) gén elnyomásával hozza létre (részben) a szárny és billér között észlelt különbséget: ez a gén igen magas szinten expresszálódik a szárny hossztengelyében, míg a billérében nem. Ezért aztán a szárny hossztengelyében kevés Tkv keletkezik, s a Dpp szabadabban terjedhet.

Slusszpoénként: a nagyon szemfüleseknek esetleg feltünhetett, hogy a Dpp hasonlóan szabályozza egy szerv méretét mint a BMP egyes gerincesekben (lásd itt és itt), ami nem is igazán meglepő, figyelembe véve, hogy a Dpp a BMP gerinctelen megfelelője - csak éppen a rovarok esetében erre a furcsa névre hallgat ;-)).

Ha már a zindex szóbahozott mint releváns hírforrást, akkor álljon itt az általuk is ismertetett cikkhez valóban kapcsolódó post (ui. amire ők hivatkoznak, az egyáltalán nem erről szól, bár kétségtelen, hogy szerepelnek benne az "őssejt" és "spermium" szavak... azóta kivették a hibás hivatkozást)

Annyiban valóban foglalkoztam már a témával, hogy pár napja egy másik kísérletről tettem említést, ahol mind spermiumokat, mind petesejteket próbáltak őssejtekből laboratóriumi körülmények között tenyészteni, s mint említettem egy komoly gond, hogy bár a létrejövő sejtek morfológiailag hasonlítanak az ivarsejtekre, igencsak kérdéses, hogy valóban funkcionálisak-e.

Most német és brit kutatóknak a hímivarsejtek esetében sikerült tovább menniük egy lépéssel és funkcionális spermiumokat létrehozniuk. Az eljárás során retinol-savban (RA) növesztettek olyan embrionális őssejteket, amelyekbe bejuttatak egy, a stra8 gén promóteréhez kötött fluoreszcens fehérjét (EGFP) kódoló génszakaszt. (A stra8 gén jellemzően csak a hímivarsejt-vonalban fejeződik ki, így a promóteréhez kötött EGFP is csak azokban a sejtekben kerül átírásra, amelyek ezirányba kezdtek differenciálódni - értsd az ilyen sejtek megfelelő megvilágítás esetén a GFP miatt zölden fluoreszkálnak.) A GFP pozitív sejteket elkülönítették, és a biztonság miatt egy másik hímivarsejt specifikus gén, a prm1 promóterével össekapcsolt piros fluoreszcens fehérje (DsRed) DNS-ét is beléjük juttatták (bízva abban, hogy azok a sejtek, amelyek mind a zöld, mind a piros fluoreszcens fehérjét expresszálják valóban hímivarsejtek lesznek). Az egyaránt piros-zöld sejteket (a kék színű DAPI a sejtmagok vizualizálására használt) közelebről megnézve, azok valóban expresszálták a spermatogenezishez kapcsolódó géneket, vagyis minden arra mutatott, hogy ezek funkcionális ős-hímivarsejtek.

Már csak az volt hátra, hogy kiderüljön mennyire működőképesek a belőlük létrejövő spermiumok. Ezért előzőleg hímivarsejtjeiktől megfosztott hímek heréibe ültették a sejteket (erre azért volt szükség, mert a here olyan környezetet kínál, amely ideális a hímivarsejtéréshez, s jelenleg nem ismerünk minden faktort, hogy ezt egy lombikban is meg tudjuk ismételni). Néhány hónap múlva a "mostoha" apák heréiben spermium-szerű, DsRed pozitív (vagyis a beültetett sejtekből származó) sejteket leltek. Azonban ezek nem voltak tökéletes hímivarsejtek: mozgékonyáguk egyáltalán meg sem közelítette a normális spermiumokét, s ha mesterséges megtermékenyítésre használták őket, bár születtek kisegerek (ez egyébként nagy fegyvertény, eddig senki sem jutott eddig), azok vagy abnormálisan nagyok vagy abnormálisan kicsik voltak. Ezek pont olyan problémák, amelyek általában klónozás során jelentkeznek és arra az okra vezethetők vissza, hogy ma még csak a felszínét kapargatjuk az epigenetikai változások megértésének.

Az epigenetikai változások (pl. a DNS metilációja) nem okoznak változást a DNS szekvenciájában, de képesek "kijelölni" DNS szakaszokat és befolyásolni később átírásukat ill. átnemírásukat. Az említett "apátlan" kisegerekben (hiszen a kiindulási őssejtek akár nőstényekből is származhattak) is számos DNS-szakasz metilációja volt abnormális, s ez okozhatta a fejlődési rendellenességeiket (egyébként egyikük sem élt többet 5 hónapnál).

Szóval summa-summarum, bár a Szexmisszió árnya kétségtelenül fenyegetőbben tornyosul fölénk, férfitársaim, a veszély még egyelőre nem testközeli ;-).

Bár élő dodót mintegy 300 éve senki sem látott, mégis ez a nagyra nőtt (és alapvetően ronda) galamb a természetvédelem ikonikus alakjává vált - talán nem kis részben azért, mert Gerald Durrell is őt választotta állatkertje emblémájául.

Sajnos a magunkról mondható rossz sztereotípiákat erősítve, az egykor Mauritiuson élő madár az emberek feltünését követően nagy ütemben eltűnt az élő fajok sorából, így néhány csontmaradványtól és korabeli rajztól eltekintve semmilyen emlékünk nincs róla. Azaz nem volt egészen a közelmúltig, amikor is a holland Nemzeti Természettudományi Múzeum expedíciója egy olyan helyre bukkant Mauritiuson, ahonnan nagy mennyiségű dodó (és nemcsak) maradvány került elő. Bővebben Carl Zimmer ír a NYTimesban a dodó temetőről, de erősen valószínűsíthető, hogy hallunk még a dologról majd valamilyen tudományos újságban is.

Ha már amúgy is a pigmentáció evolúciójáról ejtettem szót, akkor nem maradhat ki egy másik aktuális cikk sem.

Egy kis taxonómiai ugrásra azért szükség van: ezúttal emlősök helyett a jól bejáratott muslicákról lesz szó. A számos Drosophila faj közül jópárra, így a laboratóriumban használt D. melanogaster-re is jellemző a szexuális dimorfizmus, azaz a hímek és a nőstények nem ugyanúgy néznek ki. Ennek egyik leglátványosabb megjelenése a potroh mintázatában fedezhető fel: míg a hímek esetében az utolsó két szelvény teljesen fekete, addig a nőstényeknél ez a két szelvény sem különbözik mintázatában a többi potroh szelvénytől.

A sötét színű pigment termeléséért alapvetően a yellow génről átíródó fehérje felel (a név senkit ne tévesszen meg, Drosophilában aszerint nevezik el a géneket, hogy mi lesz a muslica fenotípusa, ha a gén mutálódik), s mint az a jobboldali ábrán látható (F, ill. G), ez a fehérje épp ott van jelen a lárvákban, ahol később a fekte pigment termelés megindul. Azaz nőstényekben, csak egy vékony csíkban a szegmensek végén, míg hímekben az utolsó két szegmenset teljesen betölti.

A logikus következő kérdés, hogy mi is szabályozza a yellow átíródását, mely gének működése miatt korlátozódik az a fent említett mintázatokra. Itt három gént kell kiemelnünk, az egyik az abd-b, egy homebox gén (ennek domináns mutációjakor pl. a hímek negyedik potroh szegmense is szénfekete lesz), a másik a bric-à-bric (bab), amely két rokon transzkripciós faktort kódol, a harmadik pedig a doublesex (dsx) gén, amelynek van hím és nőstény specifikus variánsa (hogy miért, azt lásd itt). Az abd-b szerepe kettős, mert egyrészt maga is serkenti a yellow átíródását, másrészt pedig kordában tartja a bab gén termékének működését. Utóbbi elnyomja a melanin termelést, pontosabban hímekben csak nyomná, mert ott az ABD-B fehérje kordában tartja ezt a funkciót; nőstényekben ezzel szemben a DSX^f fehérje ezt a kordában tartást szünteti meg, így mégsem alakul ki pigmentáció.

Nnna, akkor ennyi molekuláris bevezetés után jöjjön a feketeleves. A muslicák dimorfikus pigmentációjában az is érdekes, hogy bár mint az elején emítettem számos fajban létezik, jópár fajban ugyanakkor hiányzik, ráadásul ezek a fajok sokszor igen közeli rokonságban állnak pigmentált fajokkal. Mivel ez egy viszonylag egyszerű változás és a D. melanogaster mutánsainak vizsgálata azt sugalta, hogy akár egyetlen gén megváltozása is okozhatja ezt, adódott az ötlet, hogy utánna kellene járni, milyen változások is következtek be a különböző fajok között. Az evo-devo (és különösen a gerincetelen hox gének vizsgálatának) egyik nagy öregje, Sean B. Carroll látott neki felgöngyölíteni, mi is történt itt.

Első lépésként a különböző Drosophila fajokban megkeresték a yellow gén átíródását szabályozó szakaszokat (cis-regulatory elements - CRE) és azokat hasonlították össze, úgy, hogy megvizsgálták milyen módon szabályoznák egy D. melanogaster embrióban a gén expresszióját. Mint az alábbi képen is látni, a szexuális dimorfizmust mutató fajokból származó CRE-k, hasonlóan a laboratóriumi muslica sajátjához, különböző mintázatot adtak nőstényekben és hímekben.

Az ábrán az figyelhető meg, hogy a többi, szexuális dimorfizmust mutató fajból (hogy milyen lesz végül a potroh mintázat, azt az utolsó ábrán lehet látni) - pl. D. biamipes (bia) - származó CRE (a body arra utal, hogy a gén testi expresszióját befolyásoló szakaszokról van szó) különböző módon szabályozzák hímekben és nőstényekben a yellow gén átíródását, míg a dimorfizmust nem mutató, tiszta fehér - D. kikkawai -, vagy fekete - D. pseudoobscura - fajokban a gén vagy sehol, vagy mindenütt expresszálódik. Érdekes, hogy a dimorfizmust nem mutató D. bipectinata (bip) és D. santomea (san) CRE-je is dimorf expressziót hoz létre. Az utolsó sorban levő ábrák azt mutatják, mennyire érzékeny az adott CRE az Abd-B mutációira.

A bevezetőben leírtak fényében talán nem meglepő, hogy a szexuálisan dimorf fajok yellow génjének CRE-jében olyan szakaszokat is leltek, amelyekhez az Abd-B képes kötődni (ez mégis fontos, mert bármilyen sokat is tudunk ma már a Hox-génekről, egyelőre elég rövidke listával rendelkezünk arról, hogy pontosan milyen géneket szabályoznak közvetlenül). Érdekes módon ez a szakasz jelen van a dimorfizmust nem mutató D. bipectinata-ban és D. santomea-ban is, míg a szintén monomorf D. kikkawai-ból hiányzik. Mint arra fény derült, a bipectinata azért lesz monomorf mégis, mert a bab gén valamilyen módon hímekben is kifejeződik, így aztán "felülírja" az Abd-B által kódolt mintázatot. A D. kikkawai CRE-jében pedig két bázispárnyi változás következett be az Abd-B kötőhelyén, s ez elegendő volt ahhoz, hogy a fehérje ne ismerje fel a promotert (ui. ha a labormuslicában is megváltoztatjuk ezt a két bázispárt, ott is megszűnik a yellow gén átíródásának dimorfizmusa). Azaz íme egy kézzel fogható példája annak, miként okozhat fenotipikus változást egy hox gén kötőhelyének a megváltozása!

Az utolsó kérdés az marad, hogy miképpen alakult ki legelőször a dimorfizmus. Első lépésben neutrális mutációk megjelenése során fokozatosan létrejött egy Abd-B kötőhely a drosophilid ős yellow génjének promoter szekvenciájában (a távoli rokonnak számító a D. pseudoobscura és D. subobscura esetében gyenge, de funkcionális Abd-B kötőhelyek vannak, amelyek csak pár bázispárban különböznek a dimorfizmust mutató fajok Abd-B kötőhelyétől) . Hogy aztán mi történt, arra az eddigi eredmények alapján nincs teljesen egyértelmű válasz. Ugyanis az említett távoli rokonok bekavarnak: mindkettőben mindkét nem egész potroha feketében pompázik, de, kicsit váratlanul, a yellow gén szabályozása ennek ellenére enyhe dimorfizmust mutat. Azaz két eset lehetséges, vagy már az említett drosophilid ősben kialakult a dimorfizmus, amely aztán D. pseudoobscura és D. subobscura esetében elvesződött, vagy csak a két vonal szétválásakor (a fenti két faj vs. mindenki más) alakult ki a D. melanogaster-hez is vezető vonalban. Előbbi esetben a bab DSX^f függő regulációja is feltehetően létezett az ősben, csak elvesződött a két "outsider" Drosi felé vezető evoúciós úton, míg a második variáció szerint ez a reguláció csak a többi Drosophila felé vezető úton keletkezett, létrehozva a nemtől függő mintázatokat.

(Érdekes még megemlíteni a D. santomea-t is, ahol bár mindkét nem potroha fehér, sem a bab gén szabályozásában, sem a yellow CRE Abd-B kötőhelyében nem volt változás. Itt más ok(ok)ra vezethető vissza a pigmentáció hiánya, de hogy mire, az ma még nem ismert.)

(Hmmm, sajnos gyanítom, hogy túlságosan sok terminus technicus szerepel ebben a postban, de hacsak nem annyit akartam írni, hogy "amerikai kutatók bebizonyították, hogy hox gének szabályozzák egyes Drosophilák szexuális mintázatát", ezt nem lehetett megkerülni. Ha valaki nagyon elveszett, ígérem, lesz könnyebben emészthető téma is. ;-))

A jelek szerint a történelem valóban ismétli önmagát, különösen ha a szőrszín megváltozásáról van szó.

Az emlősök között egy Arizonában élő egérfaj (Chaetodipus intermedius) a klasszikus példa arra, hogy a szőrzetszín miként alkalmazkodik a környezethez. A sziklák között élő egér természetes színe a barnás-szürke, de azok az egérpopulációk, amelyek a környéken több helyen előforduló, sötétszínű, megkövesedett láva-folyamok környékén élnek a fekete szőrzet szín dominál. Ennek adaptív hasznát könnyű belátni, hiszen a ragadozók könnyebben kiszúrnak egy barna egeret a fekete környezetben, mint egy ugyancsak feketét.

A bundaszín változás különböző fekete-populációk esetében általában különböző génre vezethető vissza, azonban az egyik esetben a melanocortin-1-receptor (mc1r) génben következett be a változás. Normális esetben ennek a receptornak csak olyan területeken aktivizálódik, ahol pl. később egy sötét színű folt alakul ki az állat szőrzetében, ezeken a helyeken serkentve egy sötét színű pigment, az eumelanin termelését. A fent említett populációban azonban egy olyan mutáció következett be a génben, amely miatt a receptor folyamatosan aktív lett, így aztán az egeret (többé-kevésbé) egyenletes fekete színű bunda borítja.

Ebben a példában az mc1r mutációját az teszi különösen érdekessé, hogy sok más állat (jaguár, jaguarundi, aranyfejű oroszlán tamarin) sötét színű, azaz melanizált, természetes populációiban ugyancsak ez a gén változott meg (akárcsak számos háziállat esetében).

Ha az MC1R túlságosan aktív akkor az állat besötétül, de mi lesz akkor, ha egy olyan mutáció jelenik meg, amelynek következtében a receptor elveszíti aktivitását? A válasz logikus: világosabb bundájú populációk születhetnek (már ha a természetes szelekció nem lép csúnyán közbe). Például a fekete medve egyes egyedei nevüket meghazudtolva világos bundában pompáznak - a ludas (ennyi felvezetés után már nem nagyon meglepő módon) az mc1r-t inaktivizáló mutáció. De hasonló okra vezethető vissza egyes lovak, vagy éppen emberek vöröses szőrzete is.

Az mc1r-szőrzet szín témakörben két újabb példa az eheti Science hasábjain látott napvilágot. Az egyik ismét amerikai egerekhez kapcsolódik: ezúttal a Mexikói öböl partján lakó, floridai parti egereket (Peromyscus polionotus) vizsgáltak a kutatók. A parttól távolabb fekvő területeken élő egerek sötétes színezettel rendelkeznek, a parti homokos fövenyen futkározók azonban homokszínű, világosabb bundát viselnek. Mint arra fény derült, ez esetben a világos szín kialakulásában több gén is szerepet játsizk, de ezek közül az egyik legfontosabb (a jelleg kb. 26%-áért felelős) ismét csak az mc1r. Egy olyan mutáció következett be a génben ezúttal, ami egy aminosav megváltozását okozta (Arg⁶⁵Cys), ez pedig azzal járt együtt, hogy a receptor aktivitása lényegesen lecsökkent, vagyis kevesebb sötét pigment termelődik. (A tényszerűség kedvéért, ua. egérfaj atlanti partokon élő világosabb populáció esetében az okok máshol keresendők, mert azokban az egérpopulációkban nincs jelen ez a mutáció - lásd alábbi ábra, ahol a kördiagrammok fehér része jelképezi a gén mutáns alléljának előfordulási gyakoriságát -, azaz ott más változások miatt világosodtak ki az egerek).

S, hogy történetünk valóban kerek legyen, egy másik kutatócsoport mamut géneket próbálva szekvenálgatni, az egyik mintájukban épp az mc1r-t vették górcső alá. Meglepetésükre, a vizsgált minta egykori tulajdonosa heterozigóta volt erre a génre nézve, azaz a gén különböző példányát hordozta - mit ad az ég, az egyik a parti egerekben is jelen levő ciszteint kódolta az MC1R homológ pozíciójában, a másik pedig sötétebb egerekre is jellemző arginint. Rekonstruálva a szóbanforgó allélok által kódolt fehérjéket, kiderült, hogy míg az utóbbi receptor teljesen funkcionális, addig az előbbi, hasonlóan az egerekéhez, nem az. Vagyis az egykori szőrös-ormányos óriások populációiban egyszerre voltak jelen "szőke" és "barna" példányok. Csak míg a láva folyásokon élő fekete egerek, ill. a homokon futkározó világosbarna rokonaik esetében értjük, hogy mi lehetett a változás adaptív oka (miért hasznos épp ott, épp olyan bundában lenni), addig a mamutok esetében ez feltehetően örök rejtély marad (persze az is lehet, hogy sem előnye, sem hátránya nem volt szőke mamutnak lenni - akkor még vicceket sem meséltek szőke mamutlányokról -, a mutáció semleges volt és véletlenszerűen rögzült).

Majerus, ME, Mundy, NI (2003) Mammalian melanism: natural selection in black and white. Trends in Gen 19: 585-588.
Hoekstra, HE, Hirschmann, RJ, Bundey, RA, Insel, PA, Crossland, JP (2006) A Single Amino Acid Mutation Contributes to Adaptive Beach Mouse Color Pattern. Science 313: 101-104.
Römpler, H, Rohland, N, Lauleza-Fox, C., Willerslev, E, Kuznetsova, T, Rabeder, G, Bertranpetit, J, Schöneberg, T, Hofreiter, M (2006) Nuclear Gene Indicates Coat-Color Polymorphism in Mammoths. Science 313: 62