SZABAD JÁNOS
ANYAI ÖRÖKLŐDÉS, ANYAI HATÁS
Az alma nem esik mesze a fájától; Nézd meg az anyját, vedd el a lányát.
Az ilyen közmondások azt a tapasztalatot fogalmazzák meg, hogy a szülők
átörökítik tulajdonságaikat utódaikra. Hogyan? Azokat a törvényszerűségeket,
amelyek szerint a tulajdonságok öröklődnek, először Gregor Johann Mendel
ismerte fel és tette közzé 1865-ben. Vannak azonban olyan tulajdonságok,
amelyek öröklődése nem követi a Mendel-szabályokat. Miért nem? Mi az alapja az
ún. nem-mendeli tulajdonságok öröklődésének? Miért játszanak az anyák
kitüntetett szerepet ebben a folyamatban? Hogyan jobbíthatjuk életünket a
nem-mendeli genetika ismeretében? Az előadás a nem-mendeli genetika
kérdéskörébe ad bepillantást.
I. A
MENDELI TULAJDONSÁGOK ÖRÖKLŐDÉSÉRŐL DIÓHÉJBAN
Mendel egyik kísérletében lila virágú borsónövények petesejtjeit fehér
virágokról származó pollenekkel (hímivarsejtekkel) termékenyítette meg. A fehér
és a lila borsók „házasságból” az első generációban csupa lila virágú borsók
„születtek”: a lila tulajdonság dominált, a fehér pedig mintha eltűnt volna. Az
utódnövények keresztezéséből képződött második generációban lila és fehér
virágú növények 3:1 arányban képződtek. Nyilvánvaló, hogy a fehér (recesszív)
tulajdonság nem tűnt el, csak lappangott az első generáció növényeiben, a
második generációban megnyilvánult, kihasadt. A 3:1-es hasadási arányból
kiindulva Mendel arra a fontos tényre jött rá, hogy a borsóvirágok színét két
faktor határozza meg (ezeket nevezzük ma géneknek): az egyik anyai, a másik
apai eredetű
Mendel elvégezte az előző
kísérlet fordítottját is: egy ún. reciprok (fordított irányú) keresztezésben
fehér virágú növények petesejtjeit lila virágú növények pollenjeivel
termékenyítette. Amint az előző kísérletben láttuk, az első generációban minden
növény lila virágú volt, a második generációban lila és fehér virágú növények
származtak 3:1 arányban. Vagyis a lila/fehér virágszín öröklődésé nem függ a
szülők nemétől.
Azt, hogy az első generáció növényei valóban hordozzák a virágszínt meghatározó
gén fehér változatát (a génváltozatot allélnak nevezzük), Mendel elegánsan
bizonyította: az első generáció lila virágú növényeit egy ún. tesztelő
keresztezésben fehér virágúakkal keresztezte. Az utódok között 1:1 arányban
képződtek lila és fehér virágú növények
Ma már tudjuk, hogy Mendel megfigyelései általános érvényűek: az ún.
Mendel-szabályok nemcsak a borsóra, hanem jószerivel minden magasabb rendű
élőlényre érvényesek. Sőt azt is tudjuk, hogy a Mendel-szabályok szerint
öröklődő ún. mendeli tulajdonságokat olyan gének kódolják, amelyek a sejtmagban
vannak, és részei a kromoszómáknak, a kromoszómán belül pedig a DNS kettős
spirálnak
II. ANYAI HATÁS
Az 1920-as évek elején, miközben a kutatók azt tanulmányozták, hogy
miként öröklődik egy mocsári csigafaj (Lymnaea peregra) házának tekeredési
iránya, szokatlan öröklődésmenetre lettek figyelmesek. Azokból a
keresztezésekből, amelyekben jobbra tekeredő házú nőstény csigákat balra
tekeredő házú hímekkel kereszteztek, az első generációban miden csiga háza
jobbra tekeredett. Az eredmény nem meglepő: a jobbra tekeredés domináns, a
balra tekeredés recesszív. A várakozással ellentétben viszont a második
generációban is minden csiga háza jobbra tekeredett. A mocsári csigák - partner
híján - önmegtermékenyítéssel szaporodnak. A harmadik generációban a jobbra és
a balra tekeredő csigák aránya 3:1 volt, amint azt Mendel egyik szabálya
szerint várnánk. Vagyis a csigaház tekeredésének iránya a Mendel-szabályok
szerint öröklődik, csak egy generációt késve. A 3:1-es hasadási arány azt
mutatja, hogy a csigaház tekeredési irányát olyan gének határozzák meg, amelyek
a sejtmagban vannak, és a kromoszómák valamelyikeinek részei. A reciprok
keresztezésben balra tekeredő házú nőstény csigákat kereszteztek jobbra tekeredő
házú hímekkel. Meglepetésre az összes utód háza balra tekeredett. Hogyan
lehetséges az, hogy az egyik kísérletben a balra, a másikban a jobbra tekeredés
iránya a domináns? További meglepetést keltett az a tény, hogy a második
generációban minden csiga háza jobbra tekeredett. A harmadik generáció sorsa a
már ismert módon alakult
A csigaház tekeredési irányát az anya genetikai tartalma határozza meg.
Ha az anya hordozza a D-vel jelölt ép gént, és petesejtjei a D gén termékét
(egy olyan fehérjeféleséget, amely meghatározza a zigóta első osztódási
orsójának irányát), az utód háza jobbra tekeredik. Ha az anya genetikai
állománya nem tartalmaz funkcióképes D gént, hanem csak annak a d-vel jelölt,
funkcióját vesztett mutáns változatát, a petesejt nem tartalmazza a D-kódolt
fehérjét, ami miatt az utódok csigaháza balra tekeredik - annak ellenére, hogy
az utód Dd. Lényegében tehát az utód küllemét, sorsát nem a saját, hanem az
anya genetikai állománya határozza meg a petesejt citoplazmájába helyezett
molekulákkal. A jelenség neve anyai hatás. Lényege, hogy a petesejtek
citoplazmája olyan molekulákat - többnyire mRNS-eket és fehérjéket - tartalmaz,
amelyek képződését az anya génjei kódolják. Az anyai hatás molekulái a
petesejtek érése során képződnek és válnak a petesejtek citoplazmájának alkotójává.
Azért, hogy a megtermékenyülést követően irányítsák az embriók életét
Az anyai hatás létét az a régi megfigyelés is bizonyítja, hogy a
sejtmagjától megfosztott békazigótában pontosan úgy zajlanak a sejtosztódások,
mintha lennének sejtmagjaik. Vagyis az első osztódásokhoz nincs szükség a
békazigóta saját, a sejtmagvakban tárolt génjeire. (Bár a sejtmagnélküli
embriók fejlődése egy idő után lelassul, mielőtt elpusztulnának, sok száz
„sejtből” állnak, és - némi fantáziával - ebihalaknak tűnnek.) Sőt bebizonyosodott,
hogy a békazigóták saját génjeiről az első osztódások során nem képződnek
mRNS-molekulák. Nyilvánvaló, hogy azok a molekulák, amelyek az embriógenezis
kezdeti lépéseit irányítják, benne vannak a petesejt, pete, tojás
citoplazmájában, oda a petesejt képződése során kerülnek, képződésüket az anya
génjei szabályozzák. A petesejt tehát nemcsak sziket (tartalék tápanyagokat)
tartalmaz, hanem olyan molekulákat is, amelyek az embriógenezist irányítják. Az
anyai hatás jelentősége azokban a fajokban kifejezett, amelyek embriói
petékben, tojásokban az anya szervezetén kívül fejlődnek. Az anyaméhen belül
fejlődő embriók esetében, ahol van lehetőség az „utánpótlásra", az anyai
hatás jelentősége kisebb, mint például a békaembriók esetében. Az egér embriók
a négy-, az ember embriók pedig már a kétsejtes állapotban „bekapcsolják”
egyik-másik génjüket. Az anyai hatás természetesen sokkal tovább tart, mint a
négy-, illetve a kétsejtes állapot.
Képzeljünk el olyan asszonyt, akinek egy, az anyai hatásban résztvevő
génjének mindkét kópiája mutáns (m), elvesztette funkcióját, ami miatt az mm
asszony petesejtjeinek citoplazmájából hiányzik egy gén terméke. Bár az
asszonynak képződnek petesejtjei, amelyek látszólag épek, megtermékenyülnek, és
elkezdődik bennük az embriógenezis, az embrió fejlődése a géntermék hiányában
elakad, az embrió elpusztul, az asszony meddő, bárkitől is származzon a
petesejtet megtermékenyítő spermium. A meddő nők 8-10%-a az itt bemutatott
genetikai ok miatt meddő. Hogyan lehetne rajtuk segíteni? Két megoldás
kínálkozik. (1) A fel nem töltött petesejtet egy ép petéből származó citoplazma
injekcióval „kisegítjük”. (2) Az mm nő megtermékenyült petesejtjéből kivesszük
a zigóta sejtmagját, és egy olyan ép petesejtbe ültetjük, amelynek a magját eltávolítottuk.
A sejtmag-transzplantációval létrehozott zigótából - mivel a citoplazmája ép -
élőlény fejlődik. Az itt bemutatott megoldásnak köszönhetően már három gyermek
született.
Azokból a petesejtekből fejlődhetnek ép, egészséges utódok, amelyek
citoplazmája az anyai hatás minden tényezőjét tartalmazza. A petesejt
citoplazmájának feltöltése, felkészítése a fogamzásra heteken át tartó
folyamat. A magzatvédő program célja az, hogy felkészítsük a nőket a
gyermekvállalásra: éljenek olyan életet, amely lehetővé teszi petesejtjeik
feltöltődését az anyai hatás tényezőivel. Ne dohányozzanak, ne dolgozzanak
szerves oldószerekkel, fogyasszanak vitamindús ételt. A magzatvédő program
hasznosságát mi sem bizonyítja jobban, mint az a tény, hogy a programban
felkészült asszonyoknak nem született nyitott gerinccsatornájú, koponyahiányos
gyermeke, és utódaik között a fejlődési rendellenességgel születettek aránya
elhanyagolható. A magzatvédő vitaminkeverék legfontosabb komponense a folsav.
Az USA-ban, éppen a program tapasztalatai alapján, a pékárukat folsavval
dúsítják. Magyarországon is kapható néhol folsav tartalmú kenyér.
Az anyai hatás szemléltetésére lássunk egy további példát. A ló kanca és
a szamár csődör keresztezéséből olyan öszvérek származnak, amelyek a ló anyára
hasonlítanak. A reciprok keresztezésből, amelyben szamár kancát ló csődörrel
kereszteznek, olyan öszvérek származnak, amelyek a szamár kancára hasonlítanak.
Bár a kétféle öszvér génjeinek egyik fele ló-, a másik szamáreredetű, a két
öszvértípus külleme annyira eltérő, hogy az angol nyelvben a ló-öszvért
mule-nak, a szamár-öszvért hinny-nek nevezik. Azt, hogy honnan, hogyan és mikor
származik az öszvérekbe a "lóság", illetve a "szamárság",
sajna ma sem tudjuk.
III. ANYAI
ÖRÖKLŐDÉS
A huszadik század kezdetén, amikor újra felfedezték az öröklődés
törvényszerűségeit, néhány kutató különös öröklődéstípusra figyelt fel. Abból a
kísérletből, amelyben zöld növények petesejtjeit sárga növények pollenjeivel
termékenyítették meg, csak zöld növények származtak. (A zöld és a sárga
növények egyaránt termelnek sárga színű karotint. A sárga növények, mivel nem
képződik bennük klorofill, sárgák.) Az eredmény nem meglepő: a zöld tulajdonság
domináns, a sárga (a klorofillképzés hiánya) recesszív. A különös az, hogy (i)
a második generációban csak zöld növények képződtek, sárga egy sem. (ii) Sőt,
amikor a zöld utódnövények petesejtjeit sárga növény pollenjeivel
termékenyítették meg, az utódok mindegyike zöld volt. Az utód zöld növényeket
sárga növények pollenjeivel megtermékenyítve ismét csak zöld növények
származtak. A keresztezéseket végtelen generáción át lehet folytatni, az
eredmény nem változik. Mintha a sárga tulajdonság - nem úgy, mint a
fehérvirágúság az előző kísérletben - eltűnne az egymást követő generációkban,
mintha az utódok csak az anyjuktól kapnának a levelek színét meghatározó
információt. (iii) Az első keresztezés fordítottjából (a reciprok
keresztezésből), amelyben sárga növények petesejtjeit zöld növények
pollenjeivel termékenyítették meg, csak sárga növények származtak. Miként
lehetséges, hogy az egyik keresztezésben a zöld, a másikban a sárga domináns?
Az előzőek alapján várható, hogy a sárga nővirágok és a zöld pollenek
(reciprok) keresztezéséből származó utódok mind sárgák voltak. Mivel az utódok
külleme (fenotípusa) mindig olyan volt, mint az anyjuké, az öröklődés itt
bemutatott típusát anyai öröklődésnek nevezték el. Rövidesen kiderült, hogy az
anyai öröklődés alapját azok a DNS-molekulák adják, amelyek nem a sejtmagban,
hanem (1) a kloroplasztokban, (2) a mitokondriumokban, vagy (3) az
endoszimbionta (a sejtek citoplazmájában élő) baktériumokban vannak. Minthogy
az élőlények összes kloroplasztja, mitokondriuma (csak úgy, mint az
endoszimbionta baktériumok) anyai eredetű, nem meglepő, hogy az anyai
öröklődést mutató tulajdonságokat a kloroplasztokban, a mitokondriumokban vagy
az endoszimbionta baktériumokban levő DNS-molekulák határozzák meg. Mivel a
kloroplaszt, a mitokondrium, és az endoszimbionta baktériumok DNS-e nem a
sejtmagban van, az anyai öröklődést szokás extranukleáris vagy
extrakromoszómális öröklődésnek is nevezni.
Minthogy valamennyi mitokondriumunk anyai eredetű, nem meglepő, hogy a
mitokondriális DNS (mtDNS) által meghatározott tulajdonságok anyai öröklődést
mutatnak. (Az ember ép mitokondriális DNS-e 16569 bázispárból áll. Tizenhárom
olyan fehérjeféleség szintézisét kódolja, amelyek a mitokondriumokban folyó, az
ATP-molekulák képződést eredményező ún. oxidatív foszforilációs folyamatban
szerepelnek. A mtDNS kétféle rRNS, valamint huszonkét tRNS-féleség képződését
is kódolja. Az ember egy-egy mitokondriumában általában 2-5 mtDNS-molekula
van.) Nyilvánvaló, hogy nem termelnek ATP-t azok a mitokondriumok, amelyek
minden mtDNS-e mutáns, és elpusztulnak azok a sejtek, amelyek minden
mitokondriuma csupa funkcióképtelen (mutáns) mtDNS-t tartalmaz. Ellenben élet-
és funkcióképesek lehetnek azok a sejtek, amelyekben egyidejűleg háromféle
mitokondrium van: (i) csupa ép mtDNS-el, (ii) ép és mutáns mtDNS-el, (iii)
csupa mutáns mtDNS-el.
Képzeljünk most el egy olyan asszonyt, akinek valamely petesejtjében az
itt említett háromféle mitokondrium van, és azt is, hogy a petesejt
megtermékenyül, elkezdődik az embriógenezis, folynak a sejtosztódások. Ha a
mutáns mtDNS-ből egy szakasz hiányzik, a megrövidült mtDNS-ek replikációja
rövidebb ideig tart, mint az ép mtDNS-eké. A mtDNS-ek között az egymást követő
replikációk során növekszik a mutáns mtDNS-ek aránya, ami miatt a mitokondriumok
között egyre gyakoribbak lesznek az olyanok, amelyek csak mutáns mtDNS-t
tartalmaznak. A sejtosztódások előrehaladtával pedig egyre gyakoribbak lesznek
az olyan sejtek, amelyekben sok a mutáns mitokondrium, esetleg mind az. A
csökkent funkciójú és/vagy funkcióképtelen mitokondriumokat tartalmazó sejtek
energiaellátása csökken, a sejtek - ha életben maradnak - funkciójukat
tökéletlenül, vagy egyáltalán nem tudják betölteni, és akár el is
pusztulhatnak. Minthogy a mitokondriumok funkcióvesztését elsősorban a sok
ATP-t igénylő (izom-, ideg-) sejtek sínylik meg, nem véletlen, hogy az anyai
öröklődést mutatató tulajdonságok elsősorban az izom-, valamint az idegsejtek
funkcióját érintik.
A mtDNS mutációival kapcsolatos betegségek közül hármat említek. (1) A
MERRF (angolul myoclonic epilepsy and ragged red fiber) betegség jellemzői a
megsüketülés, emlékezetkiesés és az epilepsziás rohamok. (2) A LHON (Leber’s
hereditary optic neuropathy) betegség kétoldali vakság kialakulásával jár. (3)
A KSS (Kearns-Sayre syndrome) betegség jellemzője a látás- és hallásvesztés,
valamint a szívpanaszok. Ma már ismert mindhárom betegség molekuláris alapja.
Azon túl, hogy a mtDNS mutációival kapcsolatos betegségek anyai
öröklődést követnek, további ismérvei is vannak. (i) Nyilvánvaló, hogy egy fent
említett asszony gyermekeiben a betegség annál fiatalabb életkorban nyilvánul
meg, minél nagyobb a petesejt mitokondriumaiban a mutáns mtDNS-ek aránya. Ha a
petesejt DNS-ében csekély a mutáns mtDNS-ek aránya, az utódban a betegség csak
késői életkorban nyilvánul meg, szerencsés esetben ki sem fejlődik. (ii) A
mtDNS mutációval kapcsolatos betegségtünetek az életkor előrehaladtával
fokozatosan alakulnak ki, majd súlyosbodnak.
A mtDNS egyik jellegzetessége, hogy hibái - nem úgy, mint a sejtmagi
DNS-ben - nem javítódnak. Ha valamely sejtünk egyik mitokondriumában elvész az
egyik mtDNS-molekula egy szakasza, a megrövidült (és következésképpen
funkcióját vesztett) mtDNS lassacskán túlnövi az ép mtDNS-eket. A
sejtosztódások előrehaladtával egyre gyakoribbakká válnak a funkcióképtelen
mitokondriumok, és csak idő kérdése, hogy olyan sejtek képződjenek, amelyek
ATP-ellátása elégtelen, és előbb-utóbb elpusztulnak. A mtDNS rövidülése és
elszaporodása életünk során valóság: az idősebb emberekben sokkal gyakoribbak a
megrövidült mtDNS-ek, mint a fiatalokban. Lényegében tehát a mtDNS rövidülése
az öregedés egyik fontos tényezője
ÖSSZEFOGLALÁS
Hitte volna a kedves olvasó, hogy a szokatlan öröklődéstípusokat megértve
mi mindent tanulunk magunkról, és mennyi minden hasznunk lesz belőle? A
nem-mendeli genetika története a tudomány „életének” jellegzetes példája.
Kezdetben úgy tűnik, hogy néhány bogaras kutató saját gyönyörűségére valamilyen
jelentéktelen furcsasággal bíbelődik. A jelenséget megértve azonban olyan
ismeretekre tehetünk szert, amelyekkel jobbíthatjuk életünket. Az előadás
fontos üzenete az élővilág egysége. Bár az anyai hatásra és az anyai
öröklődésre egy növénnyel, illetve egy csigával folytatott keresztezések során
figyeltünk fel, a két jelenség az egész élővilágra érvényes, és azt gondolom,
csodálatra méltó.
|
||
|
|
||
|
||
|
|
