Sokféleség DIA 1 Egy populáció egyedei fenotípusos jegyeikben különböznek egymástól. Az egypetéjű ikreket leszámítva, nincs két egyforma egyed. A fenotípusos változékonyságot a genetikai változékonyság és a környezeti hatások együttesen alakítják ki. A környezet magasabbrendű élőlényeknél a testi jellegekre rendszerint kevésbé hat, mint a viselkedésbeliekre. Egy fontos kérdés az, hogy milyen típusú genetikai variabilitás felel a fenotípusos változékonyságért, amely egyben az evolúció nyersanyaga is. 1 DIA 2 A Genetikai rekombináció haszna (értelme) Arra a kérdésre, hogy mi szükség van a genetika rekombinációra, a hagyományos tankönyvi válasz az, hogy a genetikai variabilitás növelése végett. A helyzet azonban nem ilyen egyszerű. Egy populáció genetikai változékonyságát a mutációk hozzák létre. A rekombináció nem változtat a populáció összgenetikai tartalmán (gene pool), a genetikai anyagot mindössze keveri a populációban. A keveredés eredményeként egy szülőpár utódai nem lesznek egyformák, s így nagyobb az esély, hogy valamelyikük sikeres lesz. Van azonban egy másik fontos funkciója is a rekombinációnak. Lehetővé teszi, hogy a populációban egymástól függetlenül megjelenő kedvező mutációk egyetlen egyedbe kerüljenek. Tehát, a populációs innovációk (újítások) nem egymástól függetlenül léteznek, mint egy aszexuális (ivartalanul szaporodó) populációban, hanem egyesülhetnek. Megjegyzés: korábban megkülönböztették egymástól a genetikai rekombinációt (ami az anyai és apai kromoszómák közötti genetikai anyag cseréjét jelenti) a neokombinációtól (ami az ivarsejt képződés folyamán az anyai és apai kromoszómák különböző kombinációban való szétosztását jelenti). Ma a neokombinációt a genetikai rekombináció részének tekintik, mégpedig azért, mert ugyanazt eredményezi, mint a szűkebb értelemben vett rekombináció, a genetikai anyag összekeveredését. 1. Genetikai változékonyság DIA 3 Egy populáció egyedei különbözhetnek egy adott genetikai lokuszon egyetlen bázis párban, melyet egy-nukleotid polimorfizmusnak (SNP, ejtsd sznip; single nucleotide polymorphism) nevezünk. Ezt a fajta genetikai változékonyságot pontmutációk okozzák. Egy fajon belül változékonyság lehet még hosszabb-rövidebb DNS szakaszok beépülésében (inszerciókban) és kiesésében (deléciókban) (röviden: indel-ekben), kromoszóma átrendeződésekben, ill. egyes gének vagy genomi régiók kópiaszámában. Ez utóbbit kópiaszám variációnak (CNV; copy number variation) nevezzük. DIA 4 SNP-k, indelek és genetikai átrendeződések: A HapMap Projekt (2002 2007) célkitűzése az emberi genom egy-nukleotid polimorfizmusának (SNP) feltérképezése volt. A program 3,1 millió SNP-t fedezett fel 4 földrajzi régióból (Európa, Észak-Amerika, Nigéria és Kína) származó 270 ember DNS-ének vizsgálatával. 1000 Genom Projekt - teljesítve Az 1000 Genom Projekt (2008-2010) során 900 különböző eredetű (európai, kelet-ázsiai és nyugat-afrikai) ember DNS-ét szekvenálták meg. A cél az emberi genom variabilitásának felderítése volt. Már nem csupán SNP-kben való eltéréseket kerestek (egyébként 15 millió SNP-t találtak), hanem nagyobb léptékű szerkezeti változatokat is vizsgáltak. Egymillió rövid inszerciót és deléciót, ill. 20 ezer genetikai átrendeződést térképeztek fel. Bár a DNS szekvenálás sebessége rohamosan nő, a költségei pedig csökkennek, még mindig drága a teljes genom szekvenálás (2011 áprilisában jelent meg a
Pacific Biosciences cég SMART technológián alapuló 3. generációs DNS szekvenátora - tesztverzió, amely rendkívül gyorsan és olcsón végzi a DNS sorrend megállapítását). Egy genom minden régióját legalább harmincszor egymástól függetlenül kell megszekvenálni, hogy elfogadható bizonyosságú bázis sorrendet kapjunk. Ebben a programban csupán 3-szoros ismétlést alkalmaztak, ezért az ún. genotípus pontosság nem tökéletes. Megjegyzés: Az 1000 Genom Projektet főként a potenciális orvosi célú alkalmazások motiválták. Az egyik cél az volt, hogy az egyes genetikai markereket összefüggésbe hozzák a betegség kockázatokkal. A másik cél olyan genetikai adatok gyűjtése volt, melynek felhasználásával egy személy genetikai hátterének ismeretében meg tudjuk jósolni, hogy milyen gyógyszeres kezelés lehet hatásos egy beteg sikeres gyógyításához (ez a farmakogenomika, amely a személyre-szabott gyógyászat egyik alkalmazása). A vizsgálatok azt mutatják, hogy egy ember átlagosan 75 olyan génvariációt hordoz, amely kapcsolatba hozható valamilyen öröklődő betegséggel. Két fő betegség féleséget okozó genetikai variáns különböztethető meg: (1) Ritka variánsok (kevesebb, mint 1 érintett/1000 fő), melyek súlyos tüneteket okoznak (cisztás fibrózis, Huntington kór). Ezeket rendszerint 1 gén mutációja okozza. (2) Gyakori variánsok, melyek csak hajlamosítnak egy betegségre (diabetes, szív- és érrendszeri betegségek, stb.); ezek rendszerint poligénes meghatározottságúak. Az 1000 genom projekt eredményeinek orvosi alkalmazását beárnyékolja, hogy az adatgyűjtést szándékoltan vakon végezték, azaz valamilyen ok miatt nem voltak kíváncsiak arra, hogy a DNS donor szenved-e valamilyen betegségben. 2 DIA 5 Kópiaszám variáció (CNV) Korábban úgy vélték, hogy az ember egyes DNS szakaszai (gének is) normális esetben minden egyedben két kópiában fordulnak elő. A legújabb vizsgálatok azonban azt mutatják, hogy nagy DNS szegmensek kópiaszámában komoly változékonyság van a populációnkon belül. A jelen adatok szerint átlagosan: 100 CNV fordul elő egyénenként. Egy nagy ismétlődés átlagos hossza 250,000 bp, míg egy átlagos gén kb. 60,000 bp hosszúságú. Magyarán, egy duplikáció több gén kópiaszámát is növelheti, amennyiben gének is találhatóak az adott régióban. Kópiaszám csökkenés is előfordul. A CNV ritkán fordul elő az egyedfejlődés és a sejtciklus génjeinél, gyakoriak viszont az immunrendszer és az agyfejlődésben szerepet játszó gének esetében. Figyelem, az ábra megtévesztő, a kópiaszám variáció nem egy szervezeten belüli (habár ilyen is van), hanem az egyének közötti variációt szimbolizálja! 2. A fenotípusos változékonyság genetikai háttere DIA 6 A fenotípusos sokféleség forrása már régóta foglalkoztatja a kutatókat. A kérdés precízen így hangzik: mi a genetikai háttere a morfológiai, élettani, biokémiai és viselkedésbeli változatosságunknak? Ugyanez a kérdés nem csupán a normális, hanem a beteg fenotípust illetően is érvényes. Az utóbbi években kialakult konszenzus (egyetértés) szerint a válasz a transzkripció szabályozásában rejlik, pontosabban a cisz-szabályozó szekvenciák (promóterek enhanszerek) változékonyságában. A modern technikák megerősíteni látszanak a genetikai szabályozás elsődleges szerepét, de a cisz-szekvenciák mellett, transz-szabályozó faktorok (transzkripciós faktorok, nem-kódoló RNS-ek) varianciáját is leírták. Továbbá, változékonyság figyelhető meg a különböző szabályozó fehérjék (transzkripciós faktorok, jelfolyamatokban közreműködő fehérjék) foszforilációs helyeiben és egyéb poszt-transzlációs módosulásokban, a DNS CpG metilációs helyeiben, a hiszton és a DNS metilációs mintázataiban. A fenotípusos változékonyság okának megfejtése alapvetően fontos az egyénre szabott gyógyítás megvalósításához. A fenotípusos változékonyság hátterének megfejtése az evolúció mechanizmusára is választ ad, hiszen a fajon belüli variabilitás az evolúció nyersanyaga. Távoli fajok esetében pl. a homológ gének között lehet különbség az exonok
számát illetően, vagy a fehérjék foszforilációs helyeit illetően; fajon belül azonban ezek a variációk hiányoznak, vagy extrém ritkán fordulnak elő. DIA 7 Kódoló régiók variációja Egy populáción belül a gének kódoló szakaszaiban való, kedvező hatással járó, mutációk száma rendkívül alacsony. A közeli fajok esetében már több példa található erre, de még mindig nem elegendő a hatalmas fenotípusos variabilitás magyarázatához. Ilyen pl. az a mutáció, amely egyes, magas hegyekben élő fajok hemoglobinjának az O 2 -hez való nagyobb affinitást kölcsönöz, a ritkább levegő miatt. Annak megállapítására, hogy egy mutáció kedvező-e a hordozójára nézve rendszerint nem végeznek funkcionális vizsgálatokat, hanem azt nézik meg, hogy a kérdéses szekvencia milyen gyorsan változik az evolúció során. Normálisan az a helyzet, hogy a szinonim (néma kodon pozíciókban való) nukleotid csere jóval gyakoribb, mint az aminosav változással járó csere. Ezért, ha egy vizsgált gén esetében az utóbbi viszonylag gyakori, akkor pozitív szelekciót sejtenek a háttérben. Az embernél az agy, a szexualitás és az immunrendszer egyes génjei viszonylag gyorsan változnak, míg pl. az egyedfejlődést, a sejtciklust és a jelfolyamatokat irányító gének rendkívül konzervatívak. Az exon keveredés fontos evolúciós újdonságot létrehozó folyamat, de erre nézve gyakorlatilag nincs fajon belüli változékonyság. A trinukleotid ripítekben való változékonyság a populáción belül is fontos. Egyelőre, a betegség okozáson kívül, nem tudjuk, hogy szerepet játszik-e az ember normális fenotípusos variabilitásának kialakításában. Mindenesetre, ez a mutáció típus, eltérően az egyéb mutáció fajtáktól, nem feltétlenül káros a hordozójára nézve. A kutyafajták vizsgálata azt mutatja, hogy a tripletek számának növekedése vagy csökkenése folytonos morfológiai változékonyságot produkál, ráadásul jóval nagyobb mutációs rátával, mint pl. a pont mutáció (10,000-szeres). 3 DIA 8 Génfunkció és génszabályozás elméletek Korábban az a nézet uralkodott, hogy a fenotípusos változékonyságot zömében a gének szerkezetében (nukleotid sorrendjében) lévő változékonyság okozza. Másképpen fogalmazva, ez azt jelenti, hogy egy populációban egy gén által kódolt fehérje változékonyságot mutat az aminosav sorrendjében és a funkciójában is. E nézet szerint, a fehérje funkcióbeli változékonyság okozza a fenotípusbeli változékonyságot. A modern genetikai módszerekkel való vizsgálatok azonban azt mutatják, hogy az evolúció során nem annyira a gének fehérjét kódoló szakaszai, s ezáltal a kódolt fehérjék funkciója, változik meg - bár erre is van számos példa - hanem a gének használata (szabályozása). Tehát, szemben a technológiai fejlődéssel, ahol az eszközök folyamatosan javulnak, az evolúció nem tudja kidobni a régi elemeket, hanem másként használja azokat. DIA 9 A Neutralitás Elmélete Motoo Kimura (1968) kimutatta, hogy a különböző fajok egyes fehérjéi funkcionálisan nem különböznek. Az aminosav cserék ritkák, s ha mégis megtörténik, akkor a csere konzervatív, tehát hasonló kémiai aminosavak cserélődnek ki (pl. arginin lizinre: mindkettő pozitív töltésű). A modern ismeretek szerint a genetikai változékonyság nem jelenik meg feltétlenül a fenotípusban, melynek okai a következők lehetnek. (1) A pontmutáció a genetikai kód néma helyein következik be, s így a mutáció nem eredményez aminosav cserét. (2) Aminosav változás esetén, ha a két aminosav kémiailag hasonló és/vagy a csere a fehérje nem kritikus helyén történik, akkor a fehérje funkció változatlan maradhat. (3) A mutáció egy nem-kódoló DNS régióban következik be, ami lehet egy gén UTR szakasza, egy intron, vagy bármilyen intergénikus (gének közötti) régióban. Megjegyzés: a nem-kódoló DNS-ben is lehetnek olyan mutációk, amelyek hatással vannak a fenotípusra. Összefoglalva: Kimura neutralista elmélete válasz volt az addig uralkodó szelekcionista felfogásra, mely szerint minden genetikai változás mögött a természetes szelekció áll. A neutralizmus szerint genetikai változások elterjedhetnek pusztán a véletlen folytán, tehát, anélkül, hogy szelekciós előnyük lenne (pl. kis populációkban).
DIA 10 A gének szabályozása A modern felfogás szerint tehát a gének ugyanazt a funkciót töltik be még nagyon távoli rokonok esetében. Néhány nagyon fontos egyedfejlődésben szerepet játszó gént (Hox gént) kicserélhetünk az egér és a muslica között, anélkül, hogy ez problémát okozna az embriogenezisben. A kérdés az, hogy akkor mi okozza ezt az óriási fenotípusos változékonyságot fajok között és egy fajon belül. A válasz az, hogy a gének szabályozása változik meg. Más szóval, az egyes fajokban a különböző gének más mennyiségben, más időben (pl. az egyedfejlődés során) és más sejtekben és szövetekben (térbeli eltérés) fejeződnek ki. A majmok (rhesus makákó, csimpánz, orángután) és az ember génexpressziójának vizsgálata során kiderült, hogy az ember májában egyes transzkripciós faktorok kifejeződése eltér a rokonokétól. Más vizsgálatok azt mutatták, hogy sok gén kifejeződése az emberi agyban jóval magasabb szintű, mint a csimpánzéban. Hogy ezek az adatok jelentenek-e valamit, nem lehet tudni, mindenestre a génexpresszió szabályozásának fontosságára hívják fel a figyelmet. 4 DIA 11 A genetikai szabályozás számít! A génexpresszió kifejeződésének időzítésbeli különbségét jól mutatja a zebra este. A három zebrafaj csíkjainak száma attól függ, hogy mikor kezdődik a csíkozottság az embrionális fejlődés folyamán: minél később, annál sűrűbb a csíkozottság. A zebra esete jó példa arra, hogy egy apró változás egy gén szabályozásában milyen komplex fenotípusbeli változást okozhat. A génexpresszió kifejeződésének térbeli megváltozására pedig a kígyók lábának elvesztése egy kiváló példa. A Hoxc-6 és Hoxc-8 gének a kígyók minden test szegmensében együtt fejeződnek ki, ami azt eredményezi, hogy csak bordák képződnek, végtagok viszont nem (pontosabban, a viperáknak valóban nincs lábuk, a pithonoknál azonban kezdetleges femur található). Ahhoz, hogy végtagok fejlődjenek, az szükséges, hogy a két transzkripciós faktor elkülönülten fejeződjön ki: a mellső végtagoknál csak Hoxc-6, a hátsóknál pedig csak Hoxc-8 gén legyen aktív. DIA 12 Az egyedfejlődés módosulása a genetikai szabályozás hipotézist támasztja alá. Az emberre bizonyos fiatalos (juvenilis) jellegek jellemzők: magas agy/testsúly arány, a fejformánk a kölyök csimpánzéra hasonlít, megmarad a játékosság felnőtt korban is. Ennek egyik mechanizmusa lehet az ún. allometria, amely a testtájak eltérő fejlődési üteme; ill. a heterokrónia, melynél az egyes szervek kialakulásának kezdete más-más az egyes fajoknál (pl. a madarak szeme azért nagy, mert az egyedfejlődés korai szakaszában kezdődik a kialakulásuk). Magyarul, elképzelhető, hogy egy vagy néhány egyedfejlődésben szerepet játszó faktor kifejeződésének időbeli megváltozása eredményezte az emberre jellemző morfológiai és viselkedésbeli jegyeket. DIA 13 Cisz-regulációs variánsok Ha a genetikai szabályozásbeli különbségek felelősek a fenotípusos változékonyságért, akkor meg kell találnunk ennek genetikai nyomait a DNS-ben. A nagyon konzervatív szabályozó szekvenciák egy jelentős része az egyedfejlődést irányító gének közelében helyezkedik el. Az egér 2500 konzervált szekvenciájának vizsgálata azt az eredményt adta, hogy ezek 50%-a olyan enhanszer, amely az egér embrionális fejlődéskor aktív (ezen gének kódoló régiója is nagyon konzervatív). Ezek az adatok arra utalnak, hogy a cisz-regulációs változékonyság alacsony. Egy másik vizsgálat viszont azt mutatta, hogy az ember transzkripciós faktor kötőhelyeinek 32-40%-a nem működik az egérben, mivel eltér a bázissorrendjük. Ez ellentmond az előző adatnak, hiszen itt cisz-regulációs változékonyságról van szó, igaz, távoli fajok között. További adatok szükségesek annak a megválaszolásához, hogy a gén expresszióbeli változékonyságot a cisz-regulációs szekvenciák polimorfizmusa okozza-e, vagy valami más.
DIA 14 Transz-regulációs variánsok A főbb típusaik a következők: (1) trinukleotid ripítek varianciája; (2) szabályozó fehérjék foszforilációs helyeinek varianciája; (3) egyéb variációk, pl. metiláció, acetiláció, ubikvitináció, fehérje transzport. DIA 15 A kutya esete génfunkció vagy génszabályozás? A kutya egyedfejlődését irányító transzkripciós faktorok génjeinek vizsgálata meglepő eredményt adott. Kiderült, hogy ezek a gének kutyafajtára jellemző mutációt hordoznak. Egy - a pontmutációktól tízezerszer gyakoribb mutáció - az alanin és glutamin aminosavakat kódoló tripletek számának növekedését vagy csökkenését okozza ezekben a génekben. Ezek az ismétlődések a hosszuktól függő mértékben befolyásolják a gén által kódolt transzkripciós faktorok kötődésének hatékonyságát a DNS-hez. Azt találták, hogy az ismétlődések száma határozza meg, hogy az adott morfológiai jelleg milyen formát ölt. Például, a bull terrierek Runx-2 génjében alig több mint 30 év alatt egy triplet ismétlődéssel (14 alanin helyett csak 13) kevesebb lett a tenyésztés során. Ez a mutáció a kutya koponyájának drasztikus változását eredményezte. A tripletek számának növekedése és csökkenése más élőlényekre, pl. az emberre is jellemezőek. A kérdés az, hogy vajon nem lehetséges-e, hogy az anatómiai, esetleg a viselkedésbeli különbözőségeink ilyen tripleteket tartalmazó DNS szakaszok összehúzódásának, ill. kiterjedésének a következményei-e. A transzkripciós faktorok a gének kifejeződésének közvetlen szabályozói. Tehát, mind ezek kódoló szakaszában, mind pedig ezek és más gének szabályozó DNS régiójában történő genetikai változások a génexpresszió változását okozzák. Sok neurológiai betegséget (pl. Huntington kór) az ilyen tripletek túlzottan magas száma okozza. 5 DIA 16 Nem-kódoló RNS-ek variációja Az utóbbi években óriási számú ncrns-t fedeztek fel. Egyértelművé vált, hogy ezek a molekulák a sejtben egy komplex szabályozási hálózatot alkotnak, s a genetikai szabályozás gyakorlatilag minden szintjén részt vesznek. Logikus a kérdés, hogy vajon ezek az RNS-ek nem játszanak-e kulcsszerepet a fenotípusos változékonyság létrehozásában. Az ember nc-rns-einek összehasonlítása más fajokéval, azt az eredményt adta, hogy bizonyos RNS-ek (pl. HAR-1, HAR-2) az emberré válás során gyors evolúción mentek keresztül, míg ugyanezek a szekvenciák, más fajoknál rendkívül konzervatívak. Ez a konzerváltság fontos funkciót sejtet. Az emberi leszármazási vonalán való felgyorsult evolúció pedig adaptív változásokat jelezhet. A probléma az, hogy ezek a változások nem feltétlenül pozitív szelekció eredményei, mert magyarázhatóak az ún. részrehajló (biased) génkonverzióval is. Jelen esetben, ez azt jelenti, hogy az emberi genom bizonyos szakaszaira olyan nyomás hat, ami az A és T bázisokat G-re és C-re cseréli ki (GC nyomás). A GC nyomást oka egyelőre nem ismert. Megjegyzés: más esetekben AT-nyomás is felléphet. DIA 17 Epigenetikai Variánsok Az epigenetikai program maga is lehet változékony. Ehhez, elméletileg elegendő egyetlen transzkripciós faktor gén kifejeződésének epigenetikai magváltozása, ami maga után vonja a downstream folyamatok megváltozását. Ez hasonló folyamat, mint a gén hálózatok esetében bemutatott szélsőséges eset, ahol egyetlen gén kifejeződésének megváltozása (mutáció által) a többi gén expreszióját is megváltoztathatja. Az epigenetikai program megváltozására mind genetikai, mind környezeti tényezők hatással lehetnek. DIA 18 Egy gén sok funkciója - a gének alternatív használata lényegében azt eredményezi, hogy egyetlen gén több fehérjét is képes kódolni. Csak feltételezhető, hogy fajon belül nincs lényeges variancia a következő alternatív folyamatokban: splicing, capping, poliadeniláció, promóter használat ugyanazokban a szövettípusokban (eltérő szövetekben természetesen van különbség). A fajok között viszont, feltehetően, fontos szerepet játszik a
fenotípusos különbségek kialakításában. Valószínűleg az egyes fajok között különbség lehet abban, hogy egyes génekről milyen fehérjék képződnek a különböző szövetekben. Egy fajon belül viszont valószínűsíthető, hogy egy ilyen fajta variabilitás, ha egyáltalán létezik, nem számottevő jelentőségű. JEGYZETEIM: 6