Homoszexualitás: Peccatum contra naturam?

Közzétéve július 5, 2021 Szerző: Ádám Radványi

A homoszexualitás napjainkban egy megosztó téma. Országunkban jelenleg különösen aktuális kérdés: Elfogadható-e az azonos neműekkel folytatott intim kapcsolat, illetve szabad-e ennek létezéséről tudniuk a kiskorúaknak? Úgy tűnik, mostanság egyik sem kívánatos, köszönhetően egy új törvénymódosításnak. Noha ezt talán senkinek nem is kell részleteznem, a lényeget kiemelném.

…tilos tizennyolc éven aluliak számára pornográf, valamint olyan tartalmat elérhetővé tenni, amely a szexualitást öncélúan ábrázolja, illetve a születési nemnek megfelelő önazonosságtól való eltérést, a nem megváltoztatását, valamint a homoszexualitást népszerűsíti, jeleníti meg…
Javaslat módosítási szándék megfogalmazásához a T/16365. számú törvényjavaslathoz

Homoszexualitás és az emberi természet

A módosító hátterében minden bizonnyal az régóta hangoztatott érv áll, miszerint egy homoszexuális kapcsolat természetellenes (peccatum contra naturam, latin: természet ellen elkövetett bün), s ilyenektől védeni kell a fiatal generáció elméjét. De valóban természetellenes-e az azonos neműekkel folytatott viszony? Biológusként kicsit kötelességemnek érzem, hogy e témát pár szóban és pár példával körüljárjam.

Nem fogok pontos definíciókkal élni. A következőkben a “homoszexualitás” alatt egyfajta “nem heteroszexuális” viselkedést fogok érteni. Kezdjük ott, hogy magát a homoszexualitást is nehéz kategorizálni. Manapság ez egyfajta kizárólagosságot hordoz magában. A témával való kutatások többsége azonban inkább egy skála (pl. Kinsey-skála) mentén szokta osztályozni a szexualitást attól függően, hogy valaki kizálólagosan preferál egy nemet, netán csak fantázia szintjén, esetleg alkalmilag érdeklődik az egyik vagy a másik iránt (1. ábra).

1. ábra: A Kinsey-skála, és a nem kizárólagosan heteroszexuális kategóriák eloszlása a nemek között. Megjegyzés:A kizárólagosan heteroszexuális csoportja (Kinsey 0) a népesség kb. 90%-át teszi ki, ez az ábrán nincs feltüntetve (Baley és mtsai.
nyomán, forrás: Scheuring, 2014)

Például az ókori Görögországban és Rómában teljesen elfogadott volt házas férfiként, családapaként fiatal férfiú szeretőket tartani (bár Platón idejében indultak viták ennek “rendbontó” hatásairól). Más kultúrákban is komoly történelme van a homoszexualitásnak. Kínában már i.e. 600 körülről vannak feljegyzések homoszexuális viszonyokról, és ismeretesek egyéb, Közel- és Távol-Keleti példák is, mely nagyon fluid szexuális preferenciákról (vagy épp nemi szerepekről) számolnak be. E viszonyok morális megkérdőjelezése csak 1000-1200 évvel később, a keresztény és iszlám betörésével indul meg.

Szintén érdekes óceániai kultúrák koncepciója a nemi identitásról és szexuális preferenciáról. A polinéz nyelvekben nagyon régóta létezik szó “azonos neműek közötti intim kapcsolat”-ra (maori: takatāpui; hawaii: moe aikāne). James Cook legénységének beszámolói alapján ez teljesen elfogadott és stigma nélküli együttlét volt. Szintén érdekesség, hogy e népcsoportokban gyakran létezik a társadalmilag elfogadott, néha fontos kulturális szerepet betöltő “harmadik nem” megkülönböztetése (Hawaii: māhū; Cook szk.: ‘akava’ine; Tonga: fakaleitī; Tuvalu: pinapinaaine; Niue: fakafifine; Szamoa: faʻafafine). Ők férfiként saját nemükhöz vonzódnak, és számos tekintetben nőként viselkednek (egy széles spektrumban). Talán a transzneműség a legkifejezőbb szó, de nehéz lenne ezt teljes mértékben lefordítani a 21. századi LGBT paradigmára, és teljesen más kulturális identitás jellemzi például Szamoán a fa’afafinéket, akikről később még említést teszünk.

Tehát régóta léteznek kultúrák, ahol egyáltalán nem tabu az azonos neműek közötti kapcsolat. Vajon e népek elhajlása csak egy téves berögződés, netán valami sokkal általánosabb trend, mely túlmutat az emberi viselkedésen?

Homoszexualitás az állatvilágban?

Az utóbbi 20 év megfigyelései alapján ma már több mint 1500 faj esetében írtak már le homoszexuális viselkedést az állatvilágban (same-sex sexual activity: az egyed egy másik azonos nemű egyeddel létesít szexuális jellegű kapcsolatot). Akadnak köztük szép számmal rovarok, halak, kétéltűek, hüllők, madarak és emlősök is.

A házi juh (Ovis aries) esetében például a kosok egytizede elutasító nőstényekkel szemben, míg más kosokkal előszeretettel kezdenek ki. A Laysan albatrosz (Phoebastria immutabilis) Oahu szigetén fészkelő populációjánál a fészkelő párok kb. egyharmada nőstény-nőstény pár. Egyes megfigyelések alapján a zsiráfbikák is gyakrabban udvarolnak egymásnak mint nőstényeknek. És a főemlősök sem képeznek kivételt: japán makákók, gorillák és orángutánok esetében is leírtak már azonos nemű közösüléseket.

Az ember egyik legközelebbi rokona, a törpecsimpánzok (Pan paniscus) példája maga a szodomizmus netovábbja. Nemcsak, hogy nagyon is “öncélúan” élnek a szexuális aktivitással, hanem itt a biszexualitás a norma, az aktusok több mint fele kettő vagy több nőstény között történik. De a hímek közötti szex is bevett szokás! Társadalmukban a szex sokkalta több szereppel bír mint az utódnemzés funkciója. De erre majd később visszatérünk.

2. ábra: Néhány állatfaj, jól dokumentált homoszexuális viselkedéssel: közönséges házi juh, zsiráf hím-hím pár, Laysan albatrosz nősténypár, és a bizonyítottan biszexuális bonobók bájosan bámészkodó bandája. (forrás: wikipedia.com)

És ez csak pár kiragadott példa volt. Tehát közel sem állítható az, hogy a homoszexualitás pusztán valami “mentális perverzió” lenne. Ez egy viszonylag gyakori, sőt mondjuk ki, ez igenis természetes és gyakran előforduló viselkedési forma az állatvilágban is.

Isten és Darwin nevében

Akkor miért tarthatjuk természetellenesnek e viselkedést? Ha amúgy az állatvilágban gyakori stratégia, akkor lehet hogy pont a kulturális hátterünk miatt? Nem szeretnék valakinek a hitvilágába belegázolni s azt a végletekig boncolni, de azért spekulálhatunk (ilyenek ezek a spekulánsok!), mint egy evolúcióbiológus. Innen kapargatva a felszínt talán jobban érthető lesz, hogy miért tapasztalható meg egyfajta értetlenség és mélyen gyökerező ellenszenv a homoszexualitással szemben.

Valószínűsithető, hogy a homoszexualitás morális megkérdőjelezése főképp az ábrahámi vallásoktól (pl.: zsidó, keresztény, iszlám) és azok későbbi befolyásából (nyugatiosodásból, kolonizáció) ered. Ironikus módon ugyanis e világvallások értékrendje meglepően “darwinista”, legalábbis tartogat olyan alapvetéseket mely egy evolúcióbiológus fantáziáját is megmozgatja.

E vallások egyfajta adaptív funkciója, hogy egy összetartóbb és erősebb humán csoport megszervezésére törekszik egy “kulturális kódex” segítségével. Az egyik ilyen érdekes aspektus például a Nagy Testvér személye (nevezzük bármilyen néven is): az emberek többsége sokkalta jobban kooperál (vagy mellőzi a csalásokat bizonyos szituációkban) ha van egy külső megfigyelő, hisz az maga után vonhat egy későbbi megtorlást. Márpedig egy omnipotens entitás mindent lát és minden kihágást büntethet.

Egy másik ilyen, és mostani témánk szempontjából fontosabb, dogma a szex társadalmi funkciójának tisztázása a csoport érdekében. Ha különböző csoportok versengenek, akkor fontos, hogy melyik csoport szaporodik gyorsabban. Az lesz előnyben a versenytársakkal szemben. A feltételezés esetünkben pedig az, hogy nagyobb szaporodási rátát lehet elérni azzal, ha mindenféle “öncélú szexuális tevékenység” helyett a ráfordítható energia egy családba, illetve egy exkluzív partnerrel való utódgondozásba megy. Részben ezért is válik természetellenessé és elítéltté egy homoszexuális kapcsolat: nincs belőle utód, a csoport számára pedig ez nem feltétlen előnyös.

A darwini paradoxon és lehetséges megoldások

De nem csak társadalmi, hanem evolúciobiológiai szempontból is paradoxonnak tűnhet az azonos neműekkel folytatott viszony. Valószínűleg van a viselkedésnek egy öröklődő, genetikai háttere. Scheuring István előadása és korábbi Természet Világa cikke ezt sokkal élvezetesebben vesézi ki, csak ajánlani tudom (és nem tagadnám, hogy nagy hatással voltak e posztra is). Viszont ha ez örökletes, és homoszexuális embereknek kevesebb utódja születik (nem feltétlen nulla), akkor a “homoszexuális” génnek ki kellene szelektálódnia. De nem ezt látjuk. Ez pedig egy érdekes evolúciós kérdés: Miért nem tűnik el a homoszexuális viselkedés a populációkból?

Lehet, hogy a homoszexualitásnak van valamilyen közvetett előnye? A Laysan albatrosz esetében a kiváltó ok a hímek hiánya: a nőstény-nőstény párok költési sikere noha kicsi (az apa ilyenkor egy alkalmilag félrelépő hím), de a sikeres költés esetén több esélyük van a következő idényben hím párt fogni maguknak. Egyes, hímeket teljesen nélkülöző és önmaguk megtermékenyítésére képes (ún. partenogenetikus) gyíkfajoknál (pl. Aspidoscelis neomexicanus) a nőstények közötti szex valószínűleg elengedhetetlen az önmegtermékenyítés a beindításához.

Az ember esetében rokonszelekció gyanúja merül fel mint lehetséges mechanizmus. Ha például egy homoszexuális egyed utódnevelés helyett inkább a rokonait segíti, azzal továbbra is hozzájárulhat a hajlamosító gén terjedéséhez. Az ugyanis a rokonban is nagy eséllyel megtalálható. Pusztán arra van szükség, hogy a segítség mértéke és a rokonsági fok meghaladja a homoszexuális egyed költségét. Ez a közvetlen előny már fenntarthatja a homoszexualitást a “hordozók” segítésével.

Vannak eredmények mely ezt a rokonszelekciós narratívát erősíthetik, bár korántsem beszélhetünk átfogó bizonyítékokról. Több kutatás (például ez is) kimutatta, hogy heteroszexuálisokhoz képest a homoszexuálisok nőrokonainak magasabb az átlagos utódszáma; ez egy szaporodásbeli előny, és X-kromoszómához kötött öröklődésre is utal. Azt sajnos nem sikerült kideríteni, hogy ez a női rokonok felé nyújtott segítség pontosan miben jelenik meg.

Talán ebből a szempontból érdekesek a korábban már említett szamoai fa’afafine-k (ők a már említett harmadik nem tagjai, nőies férfiak akik férfiakhoz vonzódnak). Esetükben kimutathatő, hogy sokkal jobban aggódnak a testvéreikért mint a heteroszexuálisok. Döntési kényszerek esetén is jobban preferálják azon rokoni kategóriák támogatását, amely a genetikai rokonságot és a rokoni előnyt maximalizálja. Ezek a kategóriák éppenséggel a lánytestvérek, azok gyermekei, és ott is elsősorban a lányok. És hogy miért a nők? Az anya kiléte sosem kérdés, így rokonság mindig biztosabb lesz a női vonalon.

Ugyanakkor érdemes megemlíteni, hogy a fa’afafine-k esetében talált eredmények a rájuk jellemző nőies viselkedéssel és a társadalmi háttérrel is összefüggésbe hozhatók, nem feltétlen csak a homoszexualitással. Nyugati társadalmak és Japán homoszexuális férfiainál például nem figyelhetők meg ilyen döntési trendek. Tehát elképzelhetők más, genetikai és nem rokonszelekción alapuló mechanizmusok is amik fenntartják a homoszexualitást.

És ha már társadalom, szóba jönnek a törpecsimpánzok. Náluk a főképp alkalmi, homoszexuális kapcsolatoknak elsősorban feszültségcsökkentő és békítő szerepe van. Ez a társadalmi csillapító szerep hozzájárulhat a stabil közösségek megszervezéséhez. Tekintve, hogy az ember egyik legközelebbi rokonáról van szó, felmerül a kérdés: emberelődöknél, netán korábban emlegetett emberi kultúráknál ez mekkora szerepet játszhatott az azonos neműek közötti kapcsolat a nagyobb egyedcsoportok, társadalmak kialakításában?

Zárszó

A sokféleség Földünk és annak élővilágának velejárója. Minden fajon belül találunk kisebb és nagyobb egyedeket, színváltozatokat. A szexuális preferencia is csak egy ilyen dolog, nem egy természetellenes viselkedés. Érthető, hogy társadalmi közegünkben miért tűnik értelmetlennek, azonban ha jobban utánajárunk, rájöhetünk, hogy egyrészt a homoszexualitás nem ritka, másrészt akadnak logikus magyarázatok létezésére.

És itt szó sincs népszerűsítésről. Ez egy jelenség, a létezését tudomásul kell venni, pláne ha az továbbra is hátrányos megkülönböztetéshez vezet. Nem népszerűsíteni kell, nem is kell félni tőle, hanem megérteni. Ha valaki engem (mint evolúcióbiológust) kérdez, a fiatalabb generációt megakadályozni a világ és a sokféleség megértésében igenis hátrányos lehet. Pláne ha egy jelenségnek megvan a helye a nemcsak a természetben, de társadalmunkban is.

Scheuring, I. (2014) ‘A homoszexualitás evolúciógenetikai háttere’ Természet Világa, 145 (11). pp. 496-500.

Bailey, J. M., Dunne, M. P. and Martin, N. G. (2000) ‘Genetic and environmental influences on sexual orientation and its correlates in an Australian twin sample.’, Journal of Personality and Social Psychology, 78(3), pp. 524–536. doi: 10.1037/0022-3514.78.3.524.

Iemmola, F. and Camperio Ciani, A. (2009) ‘New Evidence of Genetic Factors Influencing Sexual Orientation in Men: Female Fecundity Increase in the Maternal Line’, Archives of Sexual Behavior, 38(3), pp. 393–399. doi: 10.1007/s10508-008-9381-6.

VanderLaan, D. P., Petterson, L. J. and Vasey, P. L. (2017) ‘Elevated Kin-Directed Altruism Emerges in Childhood and Is Linked to Feminine Gender Expression in Samoan Fa’afafine: A Retrospective Study’, Archives of Sexual Behavior, 46(1), pp. 95–108. doi: 10.1007/s10508-016-0884-2.

VanderLaan, D. P. and Vasey, P. L. (2014) ‘Evidence of Cognitive Biases for Maximizing Indirect Fitness in Samoan Fa’afafine’, Archives of Sexual Behavior, 43(5), pp. 1009–1022. doi: 10.1007/s10508-014-0288-0.

De Waal, F. B. M. (2006) ‘Bonobo Sex and Society’, Scientific American, 16(2), pp. 14–21. doi: 10.1038/scientificamerican0606-14sp.

Wilson, D. S. (2002) Darwin’s Cathedral. University of Chicago Press. doi: 10.7208/chicago/9780226901374.001.0001.

Young, L. C. and VanderWerf, E. A. (2014) ‘Adaptive value of same-sex pairing in Laysan albatross’, Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, 281(1775), p. 20132473. doi: 10.1098/rspb.2013.2473.

Időjárásjelentés az Élet hajnaláról (QWERTY billentyűzettel írva)

Közzétéve május 31, 2021 Szerző: Ádám Radványi

Válasz

A napokban jelent meg egy régóta dédelgetett, Kun Ádám-mal közösen írt cikkünk a Scientific Reports-ban. Gondoltam írok róla egy “akadémiai hokedlifoglalót”, hátha elő tudom adni azt érdekesen. Még akár akkor is, ha az olvasó nem biológus. Szemtelen önmarketing következik…

A genetikai kód és a QWERTY billentyűzet talányai

Akad pár hasonlóság az élő szervezetek és civilizációnk vívmányai között. Én napjaimat azzal töltöm, hogy betűk formájában vetem papírra a fejemben keringő gondolatokat. Ehhez a billentyűzet megfelelő gombjait kell lenyomnom egymás után. Ezekből a betűkből végül szavak, és mondatok lesznek.

Ugyanilyen beleéléssel püföli saját kis genetikai billentyűzetét a Föld összes organizmusa, hogy a DNS-ben található, kódolt információt lefordítsa az életfolyamatokhoz nélkülözhetetlen fehérjékre. Ebben az esetben a DNS-en hordozott bázishármasok (pl. AGC, CAA) határoznak meg egy aminosav-sorrendet, mely a fehérjéket alkotja.

A hasonlóság itt nem ér véget. Az emberek túlnyomó többsége ugyanis majdnem ugyanazt a “QWERTY” billentyűkiosztást, vagy annak variánsát használja (1. ábra; a magyar QWERTZ billentyűzet ezzel szinte teljes mértékben megegyezik). Ennek egyik következménye, hogy ékezetektől eltekintve vakon képesek lennénk ugyanazt a szöveget bepötyögni bárhol. Az adott karakterek pozíciója nem változik a klaviatúrán, legyen szó számítógépről vagy telefononról, Svédországtól egészen Kínáig.

1. ábra: A világszerte használt QWERTY billentyűkiosztás (forrás: wikipedia.hu)

Ehhez hasonlóan minden organizmusban ugyanaz a genetikai ”billentyűkiosztás” található meg! Ha fogok egy emberi DNS-darabot, és azt egy másik élőlénybe, például egy baktériumba ültetem át, megkaphatjuk ugyanazt az fehérjét, ami bennem is termelődik. Egy adott bázishármas, csakúgy mint egy leütés helye a klaviatúrán, ugyanarra a karakterre (aminosavra), fog dekódolódni, pl. CCA → prolin, AGG → arginin (2. ábra). Mindenkiben ugyanaz a fordítócsomag, ugyanaz a genetikai kód fut.

2. ábra: A standard genetikai kód, az élő szervezetek billentyűkiosztása

Hiába hasonlít a két példa csak felületesen egymásra, mindkettő felvet egy közös kérdést:

Miért pont ezek a kiosztások terjedtek el?

Miért használ mindenki QWERTY billentyűzetet és miért pont ez standard genetikai kód található meg a Föld valamennyi élőlényében? Milliárdnyi más felosztást el tudunk képzelni. Például a billentyűzeten valaki igazán sorba is rendezhette volna a betűket, mégse azt használjuk. Hasonlóan máig nem tudjuk, hogy miért pont ez egy genetikai billentyűzet terjedt el a Földön és ez miként alakult ki több milliárd évvel ezelőtt. Ez a Földi élet keletkezésének egy kulcskérdése. A kirakós egyik darabkájának feltárásában lesz segítségünkre ha megfejtjük az emberi billentyűzetet.

Miért QWERTY?

Magát a QWERTY-kiosztást még az 1870-es években fejlesztette ki Christopher Latham Sholes. Tervezése a kényelmes, lehető leghatékonyabb gépeléshez lett igazítva. Ehhez a legyakoribb karaktereknek és karakterkombinációknak könnyen kézre kell esniük, s ez az ist jelenti hogy gépelés során az egymást követő betűk leütéséhez a lehető legkisebb távolságot kell megtennie az ujjaknak, mindezt a lehető leggyorsabban.

Ugyanakkor a karakterek gyakorisága függ a beszélt nyelvtől is! Jelentős eltéréseket találhatunk az egyes nyelvek között (3. ábra). Például a kínai pinjin (a mandarin latin betűs átirata) nagyon elüt az európai nyelvektől ebben a tekintetben. Nem mindegy tehát hogy milyen nyelven gépelünk a QWERTY billentyűzeten.

3. ábra: Betűgyakoriságok különböző nyelvek írott formájában (forrás: Xiaojun Bi és mtsai., 2012)

Ezek a különbségek kihathatnak a gépelés hatékonyságára is. Ezt akár mi is könnyűszerrel ellenőrizhetjük (gép előtt ülők előnyben). Az angolban a leggyakoribb egymást követő karakterpárok: t-h, h-g, i-o, míg a pinjinben: z-h, c-h, s-h. Csak nézzük meg mekkorák a távolságok az egyes billentyűk között!

De ha ez nem lenne elég, akár tovább is mehetünk. Kiszámolható, és kísérletesen ellenőrizhető ugyanis, hogy milyen hatékony a QWERTY billentyűzet az egyes nyelvek esetén (4. ábra). Jól látható, hogy az billentyűk közti távolság az angolban és a hozzá valamelyest hasonlító németben a legkisebb. Őket követi a francia és a spanyol. A kínai pinjin-ben sokkal nagyobb távolságokat kell megtenni leütések közben, ez pedig azt is eredményezi hogy ezen a nyelven sokkal lassabban lehet csak gépelni.

4. ábra: Gépelési hatékonyságok különböző nyelveken, a QWERTY billentyűzetet használva (adatok: Xiaojun Bi és mtsai., 2012)

Az okot valószínűleg már az olvasó is gyanítja: e különbségek elsődleges oka az, hogy a QWERTY-kiosztást amerikaiak tervezték, az angol nyelv igényeire szabva. Minél kevésbé hasonlít egy nyelv az angolra, az annál inkább küszködni fog ezzel az univerzális billentyűzettel. A mi kutatásunk egy hasonló gondolatmenetet követett a genetikai kód eredetének feltárásához.

Mit tudtunk meg a genetikai kódról?

Cikkünk egy hasonló jelenség megfigyelése volt a genetikai kóddal kapcsolatban. Azt már sejtjük egy ideje, hogy a genetikai kód valamelyest optimalizálódott a fehérjék gyártásához. Ennek vannak egyértelmű jelei. Például régóta ismert, hogy a genetikai kód próbálja csökkenteni a “félreütés” kockázatát: ha történik egy mutáció a DNS-ben, az továbbra is ugyanazt, vagy hasonló tulajdonságú aminosavat fog eredményezni a fehérjében. Ezzel pedig lesz rá esély, hogy a “félregépelt” fehérje továbbra is működőképes marad.

Az egységes kód ellenére azonban az élőlények is különböző “nyelvjárásokat” használhatnak, más gyakorisággal püfölik e genetikai billentyűzet gombjait (5. ábra). Az eltérés részben a környezet függvénye. Egy bélbaktérium (Escherichia coli) más összetételű fehérjéket igényel, mint pokoli körülményeket is tűrő mikrobák, akik akár még forráspont körüli termálvizekben is vidáman lubickolnak (pl.: Thermus thermophilus és Ignisphaera aggregans).

5. ábra: Bázishármas-gyakoriságok különböző mikrobák fehérjekódoló DNS-ében

Noha a különbségek nem nagyobbak mint irodalmi magyar és a szögedi ömbörök böszéde közti eltérés, az mégis kihathat genetikai kód hatékonyságára. Mi többek között azt mutattuk ki, hogy a forróbb élőhelyeket meghódító organizmusok e téren igenis alulmaradnak a hűvösebb környezetekben éldegélő “szobabacikkal” szemben (6. ábra). A standard genetikai kódot használva nagyobb a mutációk költsége az ún. extremofil organizmusokban, s így ők nem tudnak olyan hatékonyan gépelni.

6. ábra: A genetikai kód hatékonysága különböző mikrobák és azok optimális környezeti hőmérséklete esetén

Miért meglepő ez?

Mindez akár azt is jelenheti, hogy a genetikai kód jelenlegi formája nem biztos hogy extrém forró körülményekre lett kifejlesztve. Sokkal inkább egy enyhe, tavaszias időjárás képe bontakozik ki. Ez részben meghökkentő. Előszeretettel szeretjük azt gondolni, hogy hajdanán az Élet valami Yellowstone Nemzeti Park-szerű világban látott napvilágot, netán mélyvízi vulkanikus füstölgőkből kúszott elő. Én személy szerint mindig úgy képzeltem el az Élet bölcsőjét mint Csodaturmix varázsfőzetét forrni az üstben.

Azonban korántsem lehetetlen az sem, hogy valamikor hűvösebb körülmények uralkodtak a Földön, és ez adott otthont az első mikroorganizmusoknak. Az viszont, hogy ennek forgatókönyvnek a jelentőségét tisztázzuk és komolyan alátámaszthassunk, már a jövő zenéje…

És természetesen ez nem jelenti azt, hogy sikerült minden kérdésre választ találni a genetikai kóddal kapcsolatban. De lett egy új puzzle darabkánk, aminek segítségével több esélyünk lesz kirakni egy teljesebb képet az Élet keletkezésének korai fázisairól.

Források:

Radványi Á. & Kun Á. (2021) Phylogenetic analysis of mutational robustness based on codon usage supports that the standard genetic code does not prefer extreme environments. Sci Rep 11, 10963.

Bi X., Smith B. A. & Zhai S. (2012) Multilingual touchscreen keyboard design and optimization. Human–Computer Interact 27, 352–382.

Hamarabb teszi az ember a lábát a Marsra, mint egy valós Jurassic Parkba

Közzétéve május 10, 2021 Szerző: Varga Máté

Válasz

Egy sci-fi számára talán az a legnagyobb elismerés, amikor nem a valóság inspirálja a történetet, hanem a fikció a valóságot. Ebből a szempontból egész biztos, hogy az 1993-as Jurassic Park minden valós és vélt hibájával együtt fontos referenciaponttá vált. Jól lemérhető ez azon is, hogy amint képesek lettünk olyan, a film bemutatásakor még teljesen fikciós kategóriába eső dolgokra, mint az ősi, ma ma már nem élő fajok örökítőanyagának leolvasása, illetve szinte tetszőleges állati genom célzott manipulálása, szinte nincs olyan témába vágó interjú, amiben Steven Spielberg mára klasszikussá vált filmje elő ne kerülne. Ráadásul a témába vágó interjúknak gyakran az adja az apropóját, hogy a fent említett újítások nyomán valóban elindultak olyan programok, amelyek konkrétan kihalt fajok feltámasztását (vagy valami hasonlót) tűzték zászlajukra. Igaz, a mamut vagy a vándorgalamb esetében földtörténeti mértékkel mérve nemrég kihalt fajokról van szó, amelyeknek közeli rokonfajai ma is élnek, de ez általában vagy elveszik a beszélgetésekben, vagy egy logikus korai lépésként tűnik fel a dinoszauruszok „feltámasztásának” útján.

Ilyen szempontból talán nem is annyira meglepő a Tesla és a SpaceX alapítója, Elon Musk egyik munkatársának, Max Hodaknak minapi kinyilatkozása, miszerint egy kis odafigyeléssel és kellő erőforrások befektetésével 15 év alatt valamilyen formában megvalósíthatnánk a Jurassic Park vízióját, és „szuperegzotikus új fajokat” hozhatnánk létre.

we could probably build jurassic park if we wanted to. wouldn’t be genetically authentic dinosaurs but 🤷‍♂️. maybe 15 years of breeding + engineering to get super exotic novel species
— Max Hodak (@maxhodak_) April 4, 2021

A valóság sajnos az, hogy ennek nincs túl sok valóságalapja, és hacsak nem növekedési hormonnal telenyomott aligátorokban gondolkozunk, akkor 15 év alatt körülbelül annyira lehetne hitelesen rekreálni a Jurassic Park akár csak 1-2 lakóját is, mint amennyire hitelesen helyettesíti a szegény ember állatkertjében a tibeti masztiff az oroszlánt.

Kezdjük a rossz hírrel: a dinoszauruszok feltámasztásának a filmben látott módja (borostyánba zárt szúnyogból szekvenált DNS-darabokat „keverünk” kétéltű-genomokba) biztos nem fog működni, hiszen azóta bebizonyosodott, hogy a nukleinsavak egyszerűen nem elég stabilak ahhoz, hogy sok tízmillió éven át ellenálljanak az idő vasfogának. A használható DNS-darabok fennmaradásának rekordja most úgy 1 millió év körül van, de ez is különösen optimális körülmények között megőrzött mamutmaradványokból származik, és már nagyon-nagyon töredékes. Annak az esélye, hogy 60+ millió éves DNS-t találjunk értelmezhető mennyiségben, praktikusan nulla.

De nemhogy használható DNS-t nem tudtunk eddig izolálni, hanem még a sokkal stabilabb és csontokban nagy mennyiségben megtalálható fehérje, a kollagén korábban feltételezett jelenlétét sem sikerült minden kétséget kizáróan igazolni. Így tulajdonképpen mindennemű szekvenciaadat nélkül kell(ene) elkezdenünk a dinoszauruszok rekonstruálását. Vagyis, ellentétben a mamutok és vándorgalambok deextinkcióját megcélzó programokkal itt még arról sincs szó, hogy a korábban kihalt faj genomjának ismeretében próbáljuk egy ma élő, közeli rokon faj genomját átalakítani a fontosnak tűnő mutációk bevitelével. Nincs titkos ősi recept, amit felhasználhatunk dinoszauruszok építéséhez – azt újból ki kellene találni.

Az elmúlt közel három évtized fontos fejleménye viszont, hogy most már nem igazán kérdéses: a Jurassic Park talán legikonikusabb szereplőinek tartott „raptorok” ma is élő legközelebbi rokonai madarak. Ezt az utóbbi évtizedek paleontológiai anyaga, különösen a kínai lelőhelyeken nagy számban feltárt „tollas dinók” eléggé egyértelművé tették, és nem mellesleg ezeknek a leleteknek is köszönhetően nagyot változott az, hogy miképp képzeljük el ezeket az egykor élt óriáshüllőket – a pikkelyes bőrt fokozatosan felváltotta a tollas kinézet.

Így aztán praktikusabb, ha mondjuk egy ősi madárcsoport valamelyik egyedéből indulunk ki. Ha már elég nagy és egy kicsit vad is, az jó kiindulás lehet, így képzeletünket elengedve, válasszuk mondjuk az egyébként is gyakran a bolygó legveszélyesebb madarának nevezett és lábai miatt rendszeresen a dinoszauruszokhoz hasonlított kazuárt.

Mivel van olyan kazuárfaj, aminek a genomja ismert, ez nem teljesen elvetemült ötlet, nincs ismert fizikai akadálya, hogy legalább is megpróbáljuk szerkeszteni. Ha egy mai kazuárt egy korabeli (méretben összevethető) Deinonychus-hoz hasonlítunk, így is szembetűnik pár lényeges külalakbeli különbség, amelyeken változtatni kellene. Ilyen például, hogy a kazuároknak fogatlan csőrük van, mellső végtagjukon nincsenek karmok, illetve igen látványos a hosszú posztanális farok hiánya. Ezek orvoslása lenne az a minimum, amire szükségünk lenne, hogy a kölalakot tekintve valóban valami raptorszerű, „szuperegzotikus új fajt” hozzunk létre.

Egyik területen sincs könnyű dolgunk, de talán annak a megoldása lenne a legegyszerűbb, hogy a mellső végtagokon is karmok legyenek. Ilyen madarat ugyanis ismerünk: ez a dél-amerikai esőerdők lakója, a hoacin, amelynek fiatal egyedei mindkét szárnyukon két-két jól fejlett karommal rendelkeznek, amelyeket a mászáshoz tudnak használni. Igaz, ezek a karmok az idősebb állatokban eltűnnek, de mégis, puszta jelenlétük azt sugallja, hogy nem lenne lehetetlen előhozni egy madárgenomból a karmos mellső végtagokat. Bónusz pont, hogy a hoacin genomját is ismerjük – igaz, egyelőre nem tudjuk, hol keressük benne a karmos szárnyak megjelenéséhez szükséges genetikai információt, de mégis van miből kiindulnunk, és jó közelítéssel (legyünk optimisták és megengedőek) olyan 5-10 év alatt egy kellően ambiciózus projektben sikerülhet ezt a jelleget feltérképezni és esetleg más madarakban is létrehozni.

‌A *Deinonychus antirrhopus* rekonstrukciója‌. (Forrás: Wikimedia)

Ennél lényegesen nagyobb falat lenne a csőr visszaállítása fogas szájjá. A csőr evolúciója két lépésben következett be: a fosszíliák tanúsága szerint előbb az állkapocs vett fel jellegzetes csőrformát, és ezt követte a fogak elvesztése. Részben ez támasztja alá, hogy az egyik legklasszikusabb és híresebb csirkemutáns, a talpid egyik eredménye, hogy a fejlődő csőrökben megjelennek a fogak. Igaz, a mutáció számos más fenotípusos következménnyel jár, amelyek összességében ahhoz vezetnek, hogy a homozigóta talpid mutánsok nem életképesek, de legalább van valami kiindulópontunk.

Hasonlóan arról is tudunk egy keveset, hogy mi kellene ahhoz, hogy egy csirkecsőrt ismét állkapocsszerűvé tegyünk: bő fél évtizeddel ezelőtt már sikerült úgy manipulálni fejlődő csirkék állkapcsát, hogy az lényegesen szélesebb lett, már-már raptorállkapocs-szerű. A dolog szépségét rontja némileg, hogy mindezt csak egyes jelátviteli útvonalak átmeneti bekapcsolásával érték el és nem a genom szerkesztésével, de ha ismét kellően optimisták vagyunk, mondhatjuk azt, hogy 10-15 év alatt megfejtjük, hogyan lehetne genetikai változások segítségével létrehozni egy dinoszauruszszerű szájat.‌‌

Ez volt persze a dolgok könnyebbik fele, és még ennek a két jellegnek a kazuárgenomba való bevitelét is meg kellene oldani, ami szintén nem ígérkezik sétagaloppnak, mivel a madarak genomszerkesztése kifejezetten kemény dió. Egy emlős-, kétéltű- vagy halembriótól eltérően egy megtermékenyített madár-petesejtet nem tudunk petricsészében létrehozni és génszerkeszteni, majd megnézni, mi lesz ennek az eredménye (halakban és kétéltűekben a fejlődés eleve külső, az emlősökben a megtermékenyített embriót vissza lehet ültetni a méhbe). Ezért is haladnak a transzgénikus/génszerkesztős madárprojektek sokkal lassabban, hiszen minden manipulálni kívánt faj esetében meg kell oldanunk, hogy az ivari őssejteket fenntartsuk, azokat génszerkesszük, majd visszaültessük egy madárembrió fejlődő ivarszervébe, és majd csak ennek az állatnak az utódaiban fogunk esetleg látni valamit. A kazuár esetében még nem tudjuk, hogyan tudnánk fenntartani az ivari őssejteket, és figyelembe véve, hogy az állatnak öt évre van szüksége ahhoz, hogy ivarérett legyen, már önmagában annak az igazolása, hogy képesek vagyunk a kazuárgenomot szerkeszteni, 6-10 évbe telne, még ha most azonnal bele is csapnánk a dologba. Ha ezután egyszerre sikerülne is bevinni az összes korábban emlegetett módosítást, már akkor is a (túlzóan optimista) 11-15 évnél járnánk, de még mindig csak egy fogakkal és karmokkal rendelkező kazuárra lehetne büszke a bennünk lakó Dr. Wu.

A génszerkesztett madarak (ez esetben „vándorgalamb”) készítéséhez használt technológia. Az ivari őssejtek (primordial germ cells) manipulálásán keresztül tudunk genomszerkesztett állatokat előállítani.‌ (Forrás: Revive&Restore)

‌Mert arról még egyelőre fogalmunk sincs, mi vezetett ahhoz, hogy a valamikori madárős farokcsigolyái összeforrtak egy pygostyle-nak nevezett csonttá. Bármennyit is tudunk a gerincesek farok fejlődéséről, még mindig nem tudunk eleget ahhoz, hogy egy madárembrióban ezt az evolúciós lépést visszafordítsuk. Az is árulkodó, hogy míg egy másik, a farkát nem olyan régen elvesztő fajban, az emberben időről időre előfordul egy-egy vesztigiális farok, csirkében ilyesmiről nem tudunk. Pedig lenne hol megjelenjen, hiszen az embernek köszönhetően mára a csirke lett a legnagyobb számban létező szárazföldi gerinces, és hogy egy ilyen milliárdos tömegben még senki nem szúrt ki egyetlen abnormálisan hosszú farokkal születő csirkét sem, az azt sugallja, hogy ez a folyamat nem fordítható vissza egykönnyen. (Hogy valami pozitívat is elmondhassunk, a közelmúlt egyik bizarr kísérlete, amelyben egy méretre szabott vécépumpára emlékeztető valamit tapasztottak kvázi farokként csirkékre, annyit legalább bebizonyított, hogy ha lenne farkuk, akkor a madarak inkább járnának úgy, ahogy azt a dinoszauruszokról sejtjük, vagyis itt pusztán a biomechanika diktálna egy viselkedésváltozást.)

És még ha a raptorfarok fogas kérdését meg is válaszolnánk, egy sokkal nagyobbal problémával találnánk szembe magunkat: bármennyire is dinoszauruszszerű lenne a génszerkesztett kazuárunk, „belül” továbbra is kazuár lenne. Úgy viselkedne és úgy táplálkozna, mint egy madár, vagyis magányos lenne és mindenevő, ami megint csak nem pont az, amit a Jurassic Park alapján várnánk tőle. A komplex viselkedés genetikája azonban olyan bonyolult kérdés, amit nemhogy 15, de még 25 év alatt sem fogunk megfejteni – arról nem is szólva, hogy a sok tízezernyi apró genetikai változás, amivel egy viselkedési program kialakulása járhat, azt jelentené, hogy ennyi helyen kellene nagyon pontosan szerkeszteni a genomot. Ez utóbbi önmagában is technológiailag megoldhatatlannak tűnik; ennél még az is valószínűbb, hogy 10-15 éves távlatban lehetségessé válik egy módosított kazuárgenomot valahogy egy csőben szintetikusan összeszerelni, ahogy az a GenomeProject-Write csapata ígéri, és aztán valahogy sikeresen bevinni egy madársejtbe, amiből ivari őssejtet hozunk létre.

Ezek együtt aztán eléggé egyértelműsítik, hogy 15 év múlva ugyanúgy 15 évnyire leszünk a Jurassic Park Max Hodak-féle „egzotikus új fajainak” víziójától, mint ahogyan folyamatosan 15-20 évre vagyunk az emberi Marsra szállástól is (hogy Elon Musk egy másik vesszőparipáját is elővegyük). Már ha nem érjük be egy megfelelően lenyírt tibeti masztiffal itt is. Ha fogadni kellene, személy szerint a Marsra szállást is sokkal közelebbinek tartom, mint hogy a filmbeli Isla Nubar víziója, akár kicsiben is megvalósuljon.

Max Hodak kijelentése így aztán vagy egyszerű PR-fogás – és mondjuk annak sikeres, hiszen mi is foglalkozunk vele –, vagy annak a legszebb példája, hogy milyen az, amikor valaki a Dunning–Kruger-görbe bal oldali csúcsán „hangosan gondolkodik”.

Az írás eredetileg a qubit.hu-n jelent meg.

‌‌

Kezeslábas galambászat

Közzétéve április 20, 2021 Szerző: Varga Máté

Válasz

Ha Darwinról és hozzá közel álló madarakról beszélünk, akkor talán nem is feltétlenül a kötelező újggyakorlatként felemlegetett galapagosi pintyeket (aka. “Darwin pintyek”) kellene előhozzuk, hanem a galambokat.

Nem sokkal “A fajok eredete” második kiadását követően (amiből szintén nem hiányoztak a galambok) publikálta Darwin “Az állatok és növények megváltozása a háziasítás állapotában” (The Variation of Animals and Plants under Domestication) c. könyvét, amiben két teljes fejezetet szentelt a különböző galambfajtáknak. Figyelembe véve, hogy Darwin maga is lelkes űzője volt kora állattenyésztési hobbijának, mindez talán nem is annyira meglepő, talán inkább az a releváns kérdés, hogy mennyire formálta a galambtenyésztés Darwin nézeteit az evolúcióról és hogyan használta kvázi modellélőlényként galambjait.

Mindenesetre, ha nem is pont így fogalmazott, Darwint saját keresztezései győzték meg arról, hogy a kedveltebb fajták kinézete tulajdonképpen olyan ritka természetes variációknak köszönhető, amelyek egyébként is jelen lehettek az ősi galambokban. És bár Darwin értelemszerűen még nem használta a domináns és recesszív fogalmakat, az általa leírt egyik kísérlet, amiben három fajtiszta vonal különböző hibridjeit keresztezte és végül az ősi formának tekintett szirti galambra emlékeztető utódok jöttek létre, tökéletesen példázza, hogy mi is történne, ha különböző gének recesszív alléljaira homozigóta (és a normálistól eltérő kinézetű) vonalakat egymással kereszteznénk.

Bár a galambászati kedv napjainkra kissé alább hagyott, azért még mindig kellő számban léteznek ezek a több száz év alatt létrehozott formák, hogy tanulmányozni tudjuk, mi is hozza létre a jellegzetes fenotípusos jegyeket, például a parókás galamb csuklyáját, vagy az angol trombitás tollas lábait. (Egyébként a mesterséges szelekció létrehozta formagazdagság, csak a kutyában és az aranyhalban tapasztalthoz hasonlítható, vagyis két olyan másik fajhoz, amelyeket szintén évszázadokon keresztül formált saját ízlése szerint az ember.)

Különböző galamb fajták eltérően tollas lábai. (Forrás: eLife)

Utóbbi azért is érdekes téma, mert a blog történetének egyik leggyakrabban elővett témájához vezet (ismét) vissza minket, ez pedig a végtagfejlődés. De menjünk sorban.

Az elmúlt években a galambok evolúciós modellélőlényként való felfedezése elsősorban a University of Utah-on dolgozó Michael Shapiro nevéhez köthető. Az ő csoportja volt például az, amelyik öt évvel ezelőtt egy borzasztó érdekes eLife cikkben a galambok (és tyúkok) tollas lábainak fejlődési eredetét próbálta feltárni.

Egy átlagos madárláb, ahogy azt mind tudjuk, pikkelyes, karmos – és szöges ellentétben az állatok mellső végtagjával, jellegzetesen tolltalan. De akkor mi történhetett mondjuk az angol trombitás esetében? Hogy megtaláljuk melyik gének lehetnek a fenotípus mögött, Shapiroék az egyik klasszikus, már Mendel által is alkalmazott “trükköt” vetették be: keresztezték a különböző kinézetű (fenotípusú) madarakat, létrehozhva egy hibrid generációt (F1), amelyeket egymás közt szaporítva immár egy olyan generációt kaphattak (F2), ahol a recesszív jelelgek is ismét meg tudtak nyilvánulni.

A modern genomika egyik előnye egyébként az is, hogy elég pontosan lehetett azt is látni, hogy melyek azok a DNS szakaszok, amelyek a két kiindulási fajta genomjának elvileg teljes összekeverése ellenére minden egyes tollaslábú F2 egyedben jelen lehetnek és megegyezenek a tollas lábakkal rendelkező kiindulási szülő esetében. Ezek rejtik jó eséllyel ugyanis azokat a mutációkat/szekvencia-variánsokat, amelyeknek köze lehet a furcsa lábak kialakulásához.

A genomi térképezéssel azonosított régiókban a nyitott kromatint jelölő H3K27ac jelölés különböző fajták lábában, illetve szárnyában. Ezek azt sejtetik, hogy a *Pitx1* és a *Tbx5* szabályozó régióiban következhettek be fontos változások a tollas lábakban (Forrás: eLife)

Ennek az eredményeként két fontos genomi pozíciót leltek, amelyek ráadásul a végtagfejlődésben eleve fontos gének közelében vannak: az egyik a Pitx1 gén mellett, a másik a Tbx5 és Tbx3 gének között helyezkedett el. Hogy ez miért felel meg kvázi a jackpot-megütésének egy ilyen típusú tanulmányban, ahhoz egyetlen sorát venném elő a már emlegetett végtagfejlődéses klasszikus posztnak:

A mezodermális szövet jellegét pedig három transzkripciós faktor határozza meg: a mellső végtagért a Tbx5, míg a hátulsóért a Tbx4 és a Pitx1 a felelős.

Azaz két olyan gén közelében láthatunk változásokat, amelyek terméke pont azt szabályozza, hogy a mellső és hátsó végtagok különbözőek legyenek. És a jelek szerint ez a mutációk hatására épp ez a különbség kezdett elmosódni a tollas lábak esetében.

*Pitx1* és *Tbx5* expressziós szintek galamb- (fent) és tyúkfajták (lent) fejlődő hátsó végtagjában. Mindkét esetben balra embriókon is látható a semmiből megjelenő (ektopikus) *Tbx5* kifejeződés. (Forrás: eLife)

Ahogy a fenti ábra is jól mutatja: az angol trombitás esetében a hátsó végtag identitását biztosító Pitx1 expressziós szintje lecsökken, míg a normálisan csak a leendő szárnyakban expresszálódó Tbx5 hirtelen a hátsó végtagbimbóban is elkezd kifejeződni a fejlődés során. (S bár előbbi változás nem látható a gatyás tyúkokban, utóbbi annál is inkább.)

Morfológiai változások a *pomerániai begyes* galambok lábában. Megnyúzott lábakon (A) is látszik a különbség, de a kipreparált izmokon (B,C), illetve a fibula alakján (D,E) is látszik, hogy a láb szerkezete is más. A tollak pedig teljesen a szányak tollaival azonos szerkezetet mutatnak (F). (Forrás: eLife)

Ennek az ismeretnek a birtokában már talán kevésbé meglepő, hogy ha tüzetesebben megnézzük a tollas lábú galambok lábait, akkor egyrészt azt fedezhetjük fel, hogy ezek nem egyszerűen tollasok (és nem random tollakat, hanem a szárnyakra is jellemző fedőtollakat hordoznak), de alapvetően különböznek egy “normális” lábtól. Talán túlzás lenne azt állítani, hogy teljes egészében szárnyakká alakultak, de mindenképpen jól látható, hogy mind a csontok, mind az izmok alakja jellegzetesen különbözik a klasszikus madárlábtól, így egy kicsit “átmeneti” morfológiával rendelkező végtagot találunk itt és minden jel szerint ez az identitásvesztés, ami a tollazat megjelenését hozta magával.

Shapiroék csoportja azonban nem állt meg itt és pár további galamb-jelleg térképezésébe is belevágott, s ezekről kerültek fel preprintek a bioRxiv felületére.

Különböző galambfajták koponyái. (Forrás: The Variation of Animals and Plants Under Domestication.)

Az elsőben egy kicsit a galambkoponya alakjának furcsaságait próbálták megérteni. Ez egyébként szintén Darwin szívéhez közel álló téma, hiszen a “Az állatok és növények megváltozásában” maga is hosszan elemezgette ezt a dolgot.

A galambászat kiinduló fajának tekintett szirti galamb koponyájához képest, számod domesztikált fajtában, például az angol rövidcsőrű galamb esetében, látványosan megváltozott a koponya és csőr alakja és méretaránya. De talán sehol nem annyira látványos ez, mint az alsó állkapocs esetében, ahol akkora különbségek láthatók mondjuk a berber galambok, vagy az óriásra növő runtok esetében, hogy Darwin szavaival élve:

“Senki sem hitte volna el egykönnyen, hogy azok az állkapcsok, amelyek a fentebb meghatározott pontokban ennyire különböznek, egyazon fajhoz tartozhattak.”

Vagyis Shapiro csoportjának bőven volt miből válogatnia. Végül egy pomerániai begyes galambot és egy scandaroont kereszteztek, mert ezek csőrmorfológiája kellően különbözött, hogy egy kellően részletes jellemzéssel az F2 generációban már nagyon sok csőr-paraméter genetikai hátterét fel lehessen tárni.

A minél pontosabb jellemzéshez Shapiróék csoportja mikro-CT készülékek segítségével beszkennelte a madarak koponyáját és nagyon egzakt módon rengeteg paraméterét lemérték. S bár egyelőre, a tollas lábakhoz kapcsolódó tanulmányokkal ellentétben, ezek eredményeként nem tudunk konkrét géneket megnevezni, azért viszonylag pontosan meg lehet mondani, hogy melyik kromoszóma-régiókban rejtőznek a minket érdeklő genetikai variációk. (Ennek a metodológiáját valahogy úgy kell elképzelni, hogy néhány tucat F2 hibridnek megszekvenálják a genomját és lemérik a koponyáját a CT segítségével. Ezt követően pedig elkezdenek korrelációkat keresni bizonyos markerek jelenléte és bizonyos fizikai paraméterek között. Mivel a koponya- és csőrforma egyértelműen genetikailag kódolt, ilyeneknek kell lenniük. A kérdés ilyenkor inkább az, hogy elegendő-e ennyi egyed megszekvenálása, hogy ezeket mind megleljük – általánosságban, minél több gén befolyásol egy karaktert, annál több egyed szekvenciájára és méreteire van szükségünk az ilyen vizsgálatokban, hogy “észrevegyük”, hol bujkálnak a releváns mutációk.)

A Sahpiro-csoport által a csőr morfológiájának feltérképezéséhez használt két galambfajta. (Forrás: bioRxiv)

A koponya szélességének és hosszúságának legfontosabb paramétereit öt kromoszóma-régió befolyásolja, a koponya formáját pedig további hat-nyolc. Ez elég sok (például a galapagosi pintyeknél úgy néz ki, hogy csak két–három gén játszik szerepet a csőr evolúciójában), különösen mert a mostani adatok nem képesek egyetlen génre leszűkíteni a keresést, hanem kromozsóma szakaszokat tudnak csak megadni. És jelen pillanatban egy-egy ilyen régió akár több tucat gént is tartalmazhat, amelyek közül a legtöbb (még) nem lett sehogy a koponyaforma evolúciójához kötve más fajokban. Így aztán, bár részletes felsorolás adható, a szerzők is csak találgatni tudnak, hogy melyik génnek van valójában köze a csőr és koponya változásaihoz.

Ennél szerencsésebb a helyzet a szivárványhártya (írisz) esetében, ami normális esetben narancssárga színű a szirti galambnál, de vannak fajták, ahol gyöngyházszínű és megint máshol pedig színtelen, ami miatt a mögötte található retina fekete pigmentált epitéliuma adja majd a (fekete) színt.

A furcsa színek megértéséhez tudnunk kell, hogy a szemben három fajta pigment van jelen: a fekete melanin (a retinában), illetve a fehéres guanidin és a narancssárga pteridin a szivárványhártyában. Minden pigmens több lépéses bioszintézis útvonalak állítanak elő, melyeknél elég, ha az egyik elem megsérül és az adott pigmens (illetve az általa meghatározott szín) is eltűnik.

Különböző galambfajták szivárványhártya típusai (fent), a narancssárga írisz sunéért felelős gén genetikai térképezése (középen) és a releváns régióban található génekben azonosított mutációk (alul). Látható, hogy a gyöngyházszínű szemek esetében az *SLC2A11B* génben fordul elő egy aminosav-sorrendet érintő mutáció. (Forrás: bioRxiv)

A galamboknál különböző keresztezések alapján úgy tűnik, hogy mind gyöngyházszínű (pearl), mind a fekete (bull) szemszínt valamilyen viszonylag egyszerű, monogénes jellegként lehet vizsgálni.

Ennek alapján narancssárga és gyöngyházszínű szemű szülők unokáit (F2) vizsgálva kiderült, hogy az okozati mutáció jó eséllyel egy SLC2A11B nevű génben keresendő, ugyanis a fehéres szemű egyedekben ez a gén egy olyan mutációt hordoz, ami miatt terméke rövidebb és működésképtelen lesz. Viszonylag keveset tudunk erről a konkrét génről, eltekintve, hogy a sejtmembránban levő szállító funkciót betöltő fehérjét kódol és az ilyen típusú géneknek egyébként is szerepe van mindenféle állat pigmentációjában (igen, a miénkben is), a medaka nevű ázsiai halfajban konkrétan a pteridin-szintézishez is köze lehet.

A szem pigmentáció-hiányát okozó mutáció számos helyen a tollazat depigmentációját is okozza, ahogy jól látható a “bull” és “orange” szemtípussal rendelkező madarak közti különbségben. Az F2 gerenációban ritkán olyan szemek is megjelennek, amelyek egyik fenti kategóriába sem sorolhatók be egyértelműen, ezek itt az “odd” kategóriában vannak. (Forrás: bioRxiv)

De a SLC2A11B csak fela a történetnek, a pigmentáció teljes hiányát a bull-szemű egyedekben más génnek a számlájára kell/lehet írni. Ez pedig, legavlószínűbb, hogy az EDNRB2 nevű, endothelin-receptort kódoló gén lehet. Tény, hogy itt nem azonosítottak olyan mutációt a kutatók a fekete szemű egyedekben, ami a gén működésképtelenségére utalna, a releváns genetikai régióban ez az egyetlen olyan gén, aminek köze van a pigmentációhoz, ráadásul számos más háziszárnyasban bizonyították be, hogy EDNRB2 mutációi depigmentációt eredményeznek.

Ami azért is érdekes, mert úgy tűnik, hogy a – feltehetőleg – szabályozó mutáció hatása nem szorítkozik egyedül a szemre, és ugyanazok az egyedek, amelyek bull-típusú szemet hordoznak, testük számos egyéb területén depigmentáltak: a fejükön szinte mindig, de nagyon gyakran a szárnyukon és a nyakukon is.

Szóval itt állunk most, de még biztos, hogy ahogy a kutyák is szinte kimeríthetetlen forrásai a genetikai kutatásoknak, a galambokról is fogunk jópárszor hallani.

Domyan ET, Kronenberg Z, Infante CR, Vickrey AI, Stringham SA, et al. (2016) Molecular shifts in limb identity underlie development of feathered feet in two domestic avian species. eLife 5: e12115. doi: 10.7554/eLife.12115.

Boer EF, Maclary ET, Shapiro MD (2021) Complex genetic architecture of three-dimensional craniofacial shape variation in domestic pigeons. bioRxiv doi: 10.1101/2021.03.15.435516.

Maclary ET, Phillips B, Wauer R, Boer EF, Bruders R, et al. (2021) Two Genomic Loci Control Three Eye Colors in the Domestic Pigeon (Columba livia). bioRxiv doi: 10.1101/2021.03.11.434326.

A rovarvilág kakukkjai

Közzétéve április 14, 2021 Szerző: Jezsó Bálint

Válasz

Egy kellemes tavaszi délutánon az erdőszélen sétálva jó eséllyel botlunk lomha, nagy potrohú, fémesen csillogó kis drágakövekbe, amint hosszú, vézna lábaikkal esetlenül vonszolják testüket a talajon. Ők a hólyaghúzófélék családjába tartozó, és sokak által jól ismert nünükék (Meloe sp.). A nemzetségnek hazánkban hozzávetőleg egy tucatnyi faja él, és mindegyikükre jellemző, hogy lárvakorukban önjáró kakukkfiókaként anyjuknál sokkal fürgébb és gondoskodóbb nevelőszülőkre kényszerítik rá magukat. Egészen konkrétan méhekre.

A nőstény nünükék a peték lerakását követően röviddel elpusztulnak (ez plusz egy érv a nevelőszülők keresése mellett). A petékből tavasszal, vagy nyár elején kikelő háromkarmú (triungulinus) lárvák felkapaszkodnak a virágzó növényekre, és a porzószálak közt meglapulva várnak a gyanútlan beporzókra. Karmocskáikkal aztán az arra szálló méhek kitinszőreibe kapaszkodnak, és a fészekbe vitetik magukat. A célpontok jellemzően magányosan élő (szoliter) méhfajok, mint az Andrena, Anthophora és a Chalicodoma nemzetségek tagjai. A triungulinus lárva a méhsejtbe kerülve először az ott lévő tojást fogyasztja el, majd egy másik lárvastádiumot öltve a felhalmozott mézkészleteket kezdi felfalni. Mindeközben egy relatíve biztonságos helyen fejlődhet. Lenyűgöző és mindenekelőtt kényelmes életstratégia ez, a kleptoparazitizmus (más fajok zsákmányának, illetve önfenntartás vagy utódgondozás céljából felhalmozott készleteinek megdézsmálása) egy érdekes alesete.

Európai rokonainál egy fokkal erőszakosabb módon érnek célba egy amerikai nünükefaj, a Meloe franciscanus lárvái. Ez a faj az Egyesült Államok nyugati területeinek félsivatagos, sivatagos élőhelyein érzi magát igazán otthon. Egy-egy magasabb kórón a triungulinus lárvák egész kis tömege szokott összeverődni, egy magányos méhfaj nőstény egyedének sziluettjét és illatát utánozva. Ilyen magasszintű kooperációra euszociális rovarok körében bőséggel akad példa, de bogaraknál még csak hasonlót sem figyeltek meg eddig. Főleg egzotikus ez a viselkedési forma, mivel egy speciális mimikrivel is társul.

Egy szerelemtől vak, és párzásra kész hím méhet, ha sikerrel megtéveszt a Meloe franciscanus lárvák nyüzsgő kupacának látványa, és a lárvák által termelt feromonfelhő, amaz a párzás reményében túl közel merészkedik a lárvakupachoz, és ezzel kész is a baj. A lárvák megrohamozzák a méhet, és amennyien csak tudnak, belekapaszkodnak a bundájába. A testsúlyeloszlás hirtelen megváltozása miatt a lépre csalt méh gyakran drámai módon a földre zuhan, majd miután a lárvák kényelmesen elhelyezkednek rajta, és ő visszanyeri egyensúlyát tovább repül, hogy ezúttal egy valódi nőstényre akadjon. Miután méhünk sikeresen rátalált szíve választottjára, és beteljesült szerelmük, a nünükelárvák, mint valami nemi betegség, átragadnak a nőstényre. Innentől kezdve az ő bundáján laknak, és türelmesen várják, hogy a nőstény megépítse a fészket, lerakja petéit és megkezdje a méz felhalmozását. Ekkor aztán eljön a triungulinusok ideje! Belevetik magukat a mézbe, s innentől kezdve európai unokatestvéreikhez hasonló módon tobzódnak a jólétben.

A Meloe franciscanus életciklusa (bal) (forrás: Wikipedia), triungulinus lárvák kupaca egy elszáradt növény szárán (a) és a megtévesztett méh testén (b; c) (forrás: Hafernik és Saul-Gershenz).

Belátható, hogy a M. franciscanus sikere azon áll, vagy bukik, hogy a lárvák magukhoz tudják-e vonzani a hím méhet. Minthogy ezt elsősorban az adott méhfaj nőstényeire jellemző feromonok termelésével érik el, a kleptoparazitizmus itt erősen gazdaspecifikus. A méhek ha szabadulni akarnak a nünükéktől, egyetlen evolúciós út járható számukra: változtatni kell egy kicsit a faj szexferomonjainak kémiai sajátosságain. Ez azonban könnyen reproduktív izolációhoz vezet az eredeti méhfajon belül, mivel az egyik populáció hímjei előbb utóbb nem lesznek képesek érzékelni egy másik populációba tartozó nőstény illatát. A populációk tehát előbb-utóbb faji szinten is elválnak egymástól.

Persze a parazitának is lépést kell tartania a “feromonkódok” újraírásával, ha nem akar gazda nélkül maradni. Erre szépen rímel az a megfigyelés, hogy a M. franciscanus Oregon part menti dűnéin élő populációja a Habropoda miserabilis nevű oregoni méhfajra specializálódott, míg ugyan ennek a nünükének a Mojave-sivatagban élő populációja előbbi méhfaj egy itt élő, közeli rokonfaján, a Habropoda pallida-n élősködik. A nünüke és a méhek közti kémiai verseny tetten érhető, ha (miként azt Leslie Saul-Gershenz és munkatársai tették) elemezzük az általuk termelt feromonkoktélok összetételét.

A hártyásszárnyúak szexferomonjai többnyire páratlan, 21-31 szénatomból álló, egyszeresen telítetlen szénhidrogének (a kettős kötés leggyakrabban a 9. szénatomnál található, de a különböző fajok feromonkoktéljaiban ettől eltérő pozícióba is kerülhet). A két Habropoda faj feromonjai között jellemző különbségeket találtak, és fajon belül természetesen a hímek és a nőstények ferromonprofilja is egészen másképp fest. Szépen tükrözi viszont a gazda-parazita kapcsolatot jellemző kémiai kódíró versenyt, hogy az oregoni M. franciscanus feromonjai között több olyan vegyület is található, ami a H. miserabilis nőstényére jellemző, míg a mojavei nünükék, noha biztosan ugyan abba a fajba tartoznak, mint az oregoniak (ezt anatómiai és genetikai elemzések is igazolják), feromonprofiljuk jelentősen eltérő. A mojavei populáció feromonkoktélja több olyan komponenst tartalmaz, ami a H. pallida-ra jellemző.

A H. miserabilis és a H. pallida hímjeinek és nőstényeinek valamint az oregoni és Mojave-sivatagi nünükelárvák feromon profilja. A vízszintes tengelyen a különböző szénatomszámú feromonok vannak feltüntetve, kék színnel jelölve azokat, amelyek legalább két csoportban ugyan úgy jelen vannak. a függőleges tengelyen relatív koncentráció látható (Leslie Saul-Gershenz és mtsai, 2017).

A feromonprofil vizsgálata mellett olyan kísérleteket is végetek a szerzők, amelyek a két nünükepopuláció eltérő gazdaspecificitását igazolták. Ezekből kiderült, hogy a mojavei nünükepopuláció valóban csak az ott élő Habropoda fajt vonzza magához, míg az oregonit pedig csak alig, vagy egyáltalán nem, és vice versa. Ezekről a kísérletekről olvasva az ember elgondolkozik rajta, hogy az eltérő gazdaspecificitás a két nünükepopuláció egyedei között (a jelentős földrajzi távolságokat nem számolva) mennyire járul hozzá a populációk szétválásához, vagy adott esetben magához a fajképződéshez…

A triungulinus lárvák eltérő gazdaspecificitását igazoló kisérletek eredményei (Leslie Saul-Gershenz és mtsai, 2017)

A jelen poszt forrásául szolgáló tanulmányok nem a tudomány legfrissebb termékei, és még csak azt se hiszem, hogy világmegváltó jelentőséggel bírnának. Amiért mégis beszámoltam róluk, annak csak az az oka, hogy idehaza épp “nünüke szezon” van. Bár a hazai Meloe fajok életciklusa kevéssé bizarr mint az M. franciscanus-é, ha a nyájas olvasó a hétvégén netán kirándulásra adná a fejét, és teszem azt egy kék nünükével (M. violaceus) találkozna gondoljon majd ezekre az érdekes amcsi rokonaira is 😉

Szép időt, és kellemes túrázást!

(A borítóképen egy kék nünüke látható – a szerző fotója)

__________

John Hafernik és Leslie Saul-Gershenz (Nature, Brief Communcations, 2000): “Beetle larvae cooperate to mimic bees“
Leslie Saul-Gershenz és mtsai. (PNAS, 2017): “Deceptive signals and behaviors of a cleptoparasitic beetle show local adaptation to different hostbee species“

Őskori szerelem – reloaded

Közzétéve április 10, 2021 Szerző: Varga Máté

Válasz

Az első “teljes” neandervölgyi genom több mint egy évtizeddel ezelőtti publikálása óta tudjuk, hogy az anatómiailag modern ember (kvázi azt, amit Homo sapiens néven ismer a világ) Afrikából történő kivándorlása során keveredett az akkor már szélesebb körben elterjedt neandervölgyi populációkkal és ennek nyomát az Afrikán kívül élő emberi populációk genomjában mind fellelhtejük, nehány százaléknyi Homo neanderthalis DNS formájában.

Ennek a legősibb keveredésnek az idejét 50 – 60 000 évvel ezelőttre saccolják és feltételezett helye valahol a Közel-Keleten lehetett, ahol több nyomát is találták annak, hogy a két Homo faj párhuzamosan élt egymással. Később aztán az is egyértelművé vált, hogy a keveredés nem csak egyszeri esemény lehetett, hanem viszonylag rendszeresen bekövetkezett, erre volt jó példa a 2015-ben publikált, a romániai Csontok barlangjából (Peștera cu Oase) előkerült lelet, ahol a genomszekvencia alapján a 40 000 évvel ezelőttre datált személynek szépszülői magasságban lehetett neandervölgyi felmenője.

A héten a Nature-ben, illetve a Nature Ecology and Evolution-ben jelent meg egy cikkpáros, ami cseh és bulgáriai mintákat feldolgozva további (közvetett) bizonyítékkal szolgál arra vonatkozóan, hogy Délkelet-Európában viszonylag rendszeres lehetett az őshonosnak tekinthető H. neanderthalis és a több hullámban érkező H. sapiens-ek közti keveredés.

Az ismert, kb. 40 000 éves emberi maradványok lelőhelyei. (Forrás: Nature Ecology & Evolution)

Előbbi közleményt a neandervölgyi genom feltárásban oroszlánrészt vállaló, illetve az Oase leletet is megszekvenáló Svante Pääbo csoportja jegyzi, és három olyan emberi maradványt vizsgáltak, amelyek a bulgáriai Bacso Kiro-barlangból kerültek elő (és egyelőre a legősibb leletek a térségben).

Az egy fogból és pár más csonttöredékből álló minta azonban így is felbecsülhetetlen értékű, mert egyrészt jól mutatja, hogy a térségben már felső- és középső paleolitikum határán folyamatos emberi jelenlét volt megfigyelhető (a barlang különböző rétegeiből előkerülő minták között van olyan, ami 45 ezer évvel ezelőtti és van olyan is, ami “csak” 35 ezer éves).

A régebbi minták esetében szintén viszonylag friss (kb. 7 generációval korábbról) származó neandervölgyi egyedekkel való keveredés nyomait hordozták. Vagyis a neandervölgyi anyag itt már csak kb. fele annyi volt, mint amit az Oase genomban láttak, de kicsit több, mint a fiatalabb bacso-kiroi mintákban találtak (utóbbiban a nendervölgyi szekvenciák aránya elég közel van ahhoz, amit a tipikus felső paleolitikumból származó mintákban találhatunk). A másik érdekesség, hogy míg az Oase genom esetében a genom modern emberi komponensének a modern emberi populációkban nem leljük nyomát (vagyis ez a csoport később kihalt), a bolgár leleteknek úgy tűnik van kapcsolata későbbi emberi populációkkal. Csakhogy ezek a kapcsolatok egyáltalán nem nyugat Eurázsiában vannak, ahogy az a minták földrajzi pozíciója alapján sejtenénk, hanem Kelet Ázsiában illetve Amerikai őslakói között.

(a) A két legrégebbi, neandervölgyi-modern emberi keveredés “emlékét” hordozó lelőhelyek elhelyezkedése, illetve a neandervölgyi populációk feltételezett elterjedése (kékkel). (b) Különböző korú “hibrid” mintákban a neandervölgyi genom aránya, illetve a neandervölgyi szegmensek pontos pozíciói (kékkel). (Forrás: Nature)

És ebből a szempontból megint más a cseh lelet, ami Zlatý kůň-ból kerül elő. Ez a több, mint 45 ezer évesre becsült, jó megtartású koponya, inkább a fiatalabb bulgáriai leletekhez hasonlít abból a szempontból, hogy a belőle kinyert genom neandervölgyi komponense nem kiemelkedő (bár kicsit több, mint a felső paleolitikumban talált mintákban), viszont az oasei lelethez kapcsolódik abból a szempontból, hogy nincs kontinuitása a ma is élő emberi populációkkal (a romániai lelettel való esetleges “rokonság” vizsgálata egyelőre várat magára).

Ez pedig egy érdekes kérdést vet fel: mi történt ezekkel a korai modern emberi populációkkal, amelyek már a középső paleolitikum végére láthatóan megtelepedtek a Kárpát-medencében, miért nem járultak hozzá a térségben később jelen levő vadászó-gyűjtögető populációkhoz?

Az egyik, talán leghihetőbb, magyarázat szerint egy vulkáni kitörés következtében kialakuló környezeti katasztrófa vezethetett a tréség ideiglenes elnéptelenedéséhez. Konkrétabban, a mai Nápolyhoz közel található Flegrei-mezők kialakulásában is kulcsszerepet játszó, 40 ezer évvel ezelőtt bekövetkező campaniai ignimbrit kitörés okozhatott olya környezeti változásokat, ami miatt a Kárpát-medence (is) ideiglenesen élhetetlenné vált.

Egy másik érdekesség azonban, ha már a H. sapiens és H. neanderthalis közti keveredésről beszélünk, az az, hogy ez egyelőre egyirányúnak tűnik. Vagyis azt látjuk, hogy a modern emberi populációkba bekerültek darabok a neandervölgyi genomból, de arra egyelőre nincs bizonyíték, hogy a késői és korai neandervölgyi genomok (és ha nem is sok, mostanra azért van pár) olyan szekvenciákban különböznének, amelyek H. sapiens eredetűek.

Ennek egyik magyarázata lehet, hogy nem áll még rendelkezésünkre elegendő neandervölgyi genom és a “mintavételezésünk” félrevezető, egyszerűen nem találtuk meg azokat az egyedeket, ahol ez a hibridizáció tetten érhető.

Egy másik magyarázat viszont, hogy mint olyan gyakran a hibridek esetében, az első generációs sapiens – neanderthalis hibridek csak az egyik szülői fajjal tudtak szaporodóképes utódokat létrehozni, részben a két faj között kialakuló genetikai inkompatibilitásnak köszönhetően. (Itt kb. arra kell gondolni, hogy egy komplexben együtt működő fehérjék egy fajon belül általában együtt változnak, de két nagyon régen elvált vonalban ellentétes irányban is változhatnak, így a hibridben már gondok lépnek fel a komplex működése során.) Ez nem új elmélet, már 2014-ben is komolyabban felvetődött, hogy a hibrid hímek sterilek lehettek azóta pedig több más eredmény is megerősíteni látszik.

Persze ezek a hibridizációk nem csak a középső paleolitikumban zajlottak, hanem ismételten előfordulhattak ahol és amikor csak az ősi H. sapiens és H. neanderthalis populációk egyazon területen éltek. És egy sokkal korábbi, (több) százezer évesre becsült hibridizációs esemény nyomát azért megtalálni a neandervölgyi genom két specifikus darabjában, a mitokondriális DNS-ben és az Y kromoszómában.

Az mtDNS és Y kromoszóma feltételezett introgressziója a modern emberek őséből a neandervölgyiekbe. Az egyes elválási, illetve hibridizációs események korát (time to the most recent common ancestor – TMRCA) a jobb oldalon fent látható ábra mutatja, ezer években számolva. (Forrás: Science)

Ezek ugye genomunknak azoknak a darabjai, amelyek szigorúan anyai, illetve apai vonalon öröklődnek. Nem zavarja őket holmi rekombináció, ha esetleg összeszednek valami mutációt, akkor hűen tovább adják a lány, illetve fiú utódoknak.

A jelenleg ismert neandervölgyi genomok egyik érdekessége, hogy a belőlük izolált mitokondriális DNS (mtDNS), illetve Y kromoszóma alapján a neandervölgyiek közelebbi rokonok kellett volna legyenek a modern emberrel, mint a gyeniszovaival. Viszont a sokkal kiterjedtebb (sejtmagi) genom-adatok ezzel ellentétes képet festenek: eszerint a gyeniszovai és neandervölgyi populációk közös őse hamarabb vált el a modern ember ősétől.

Ez a két, látszólag egymásnak ellentmondó adat egy módon hozható közös nevezőre egy tavalyi Science cikk szerint: ha azt feltételezzük, hogy valamikor 100-370 ezer évvel ezelőtt az akkori ősi H. sapiens-ek és a neandervölgyiek közti hibridizáció eredményeképpen bekerült az ősi modern emberi mtDNS, illetve Y kromoszóma a neandervölgyiekbe és sikeresen “kiszorította” az ősi mtDNS és Y kromoszómás vonalakat. (Hogy ez esetben pontosan mit jelent a “kiszorította” arra max. ötletelhetünk, de ne feltétlenül gondoljunk egy aktív folyamatra, lehet hogy egyszerűen véletlen, hogy ezek az ősi “hibridek” maradtak fenn később Európában.) Ha ez valóban így van, akkor, ha valaha sikerülne mintát izolálni a spanyol Atapuerca közelében levő Sima de los Huesos barlangban talált kb. 400 ezer éves neandervölgyi mintákból, joggal remélhetnénk, hogy azok egy ősibb mtDNS-t mutatnának.

Végül, már inkább csak megjegyzés szintjén: a neandervölgyi introgressziónak jól dokumentálható hatása van ma is és ez lehet az egyik oka, hogy nem hígult ki teljesen a genomunkból. Például az immunrendszer működésében már korábban is találtak olyan neandervölgyi-eredetű génvariánsokat, amelyek erős szelekciós nyomás alatt vannak, így azt feltételezzük, hogy korabeli fertőzések esetében valamilyen előnyt adhattak hordozóinak. De, ezek a kis szekvenciák kétélű fegyverként is működhetnek.

Az rs35044562 allél előfordulásának gyakorisága különböző földrajzi régiókban. Jól megfigyelhető, hogy csak Afrikán kívül találkozni vele és különösen nagy gyakoriságú Dé-Kelet Ázsiában. (Forrás: Nature)

Amikor a COVID-19 járvány elején felmerült, hogy a nagyon eltérő erősségű megbetegedéseknek genetikai oka is lehet, Pääbo és egyik munkatársa kimutatták, hogy az egyik DNS szakasz, amit kapcsolatba hoztak a súlyosabb lefolyású betegséggel, pont egy olyan genetikai variánshoz (allélhoz) kacsolható, ami – úgy tűnik – neandervölgyi eredetű.

Ez a harmadik kromoszómán levő régió az immunválaszban is fontos kemokineket (is) kódol. A betegségre hajlamosító allél (rs35044562 a pontos neve) hiányzik a modern afrikai genomokból, ellenben homozigóta formába van jelen az 50 ezer éves Horvátországból előkerült Vindija 33.19 neandervölgyi leletben, vagyis pont azt a mintázatot mutatja, amit klasszikusan a neandervölgyi genetikai introgresszióról gondolunk. Bár még a pontosan nem értjük, hogy az introgresszált régió miben különbözik, elképzelhető, hogy az erősebben aktivált immunválasz, ami más patogének ellenében hasznos lehet(ett), ebben járványban ellenkező hatást ér el.

(A borítókép forrása a Nature News volt.)

Hajdinjak, M., Mafessoni, F., Skov, L. et al. (2021) Initial Upper Palaeolithic humans in Europe had recent Neanderthal ancestry. Nature 592, 253–257. doi: 10.1038/s41586-021-03335-3.

Prüfer, K., Posth, C., Yu, H. et al. (2021) A genome sequence from a modern human skull over 45,000 years old from Zlatý kůň in Czechia. Nat Ecol Evol doi: 10.1038/s41559-021-01443-x.

Petr M, Hajdinjak M, Fu Q, Essel E, Rougier H, et al. (2020) The evolutionary history of Neanderthal and Denisovan Y chromosomes. Science 369: 1653-1656. doi: 10.1126/science.abb6460.

Zeberg, H., Pääbo, S. (2020) The major genetic risk factor for severe COVID-19 is inherited from Neanderthals. Nature 587, 610–612. doi: 10.1038/s41586-020-2818-3.

Mi kell, hogy a ponty repüljön, mint a pinty?

Közzétéve április 6, 2021 Szerző: Varga Máté

Válasz

Még valamikor a 19. sz. végén, a kor egyik legjelesebb brit zoológusa, D’Arcy Thompson azzal szórakoztatta karácsonykor gyerekeit, hogy egy gumilapra kutyafigurát rajzolt és azt különböző irányba húzogatva egyik kutyafajtából csinált egy másikat. Thompson kvintesszenciális viktoriánus tudós volt és zoológia mellett nagyon érdekelte a matematika és fizika is (meg történetesen a klasszikus görög irodalom) és a gumihúzogatás a gyerekek szórakoztatásán túl egy mélyebb tudományos gondolat fizikai megtestesülése is volt. Utóbbi szerint az egyes élőlények kinézetét (a biológiai anyag formáját) elsősorban fizikai erők alakítják.

Ezt az elméletet öntötte aztán 57 évesen könyvformába “On Growth and Form” című művében, ami 1917-ben jelent meg és sokan máig a 20. század egyik legfontosabb biológiai témájú művének tartják. Pedig D’Arcy elsődleges szándéka, miszerint alternatívát kínáljon az öröklődés-alapú darwini evolúciós elméletnek, sosem kapott kellő támogatást. És mégis kellő mennyiségű érdekes gondolat került bele a műbe, hogy számos egymást követő kutatói generációt volt képes inspirálni. (Akit érdekelnek Thompson életének egyéb részletei, annak mindenképpen ajánlom Stephen Wolfram igazi fanboy-lelkesedéssel megírt hosszú írását.)

D’Arcy Thompson és az “On Growth and Form” híres hal-transzformációi. (Forrás: Stephen Wolfram – Writings)

A karácsonyi gumikutyák logikája az “On Growth and Form” utolsó előtti fejezetében köszön aztán vissza, de itt (elsősorban) nem kutyákat, hanem halakat találunk. És ezek, a fent is látható rajzok lettek később a legikonikusabbak D’Arcy Thompson főművéből.

Mert bár az öröklődés fogja végső soron a testek alakját formálni, de azt nagyon jól ismerte fel Thompson, hogy bizonyos testrészek evolúciós átalakulása felfogható mint egy koordinátarendszer-torzuláshoz vezető növekedésbeli változás. Ezeknek pedig mind biológiai (genetikai) oka van, legyen az mondjuk a tacskók rövid lába, vagy a zsiráfok hosszú nyaka.

A halak esetében tényleg rengeteg ilyen típusú “transzformációt” figyelhetünk meg (persze nem teljesen véletlenül, hiszen a gerinces fajok fele az hal), és talán az egyik legérdekesebb közülük a repülőhalak mellúszójának esete.

Amiben egy tipikus repülőhal igazán különleges, az mellúszójának a mérete, amely egyben azt a relatíve nagy felületet is biztosítani tudja, ami ezeknek a fajoknak a siklórepüléséhez szükséges (és egy ilyen siklás akár 400 m hosszan is tarthat, miközben a magasságukat és a siklás irányát is szabályozzák). Hogy mi lehet ennek a megnagyobbodott mellúszónak az eredete, annak eredt a nyomába a Harvardon dolgozó Matthew Harris csoportja.

(A) Egy tipikus repülőhalnak feltűnően megnyúlt mell- és hasúszói vannak (fekete és fehér nyílhegy), valamint a farokúszójuk alsó sugarai is megnyúltak (szürke nyílhegy). (B) Rokon csoportokkal is összevetve, a teljes testhosszhoz képest kifejezetten feltűnő a mellúszók megnagyobbodása. (Forrás: bioRxiv)

Az egyelőre csak preprint formájában elérhető kutatásban Harris-ék a repülőhalakat is magukba foglaló Beloniformes (magyarul Makrahalalakúak) rend 35 különböző fajának a fehérjekódoló, illetve konzervált, de nem kódoló szekvenciáját határozták meg. (Durva közelítéssel ezek a lényegi részei a genomnak, persze azért ez itt egy szükséges egyszerűsítés, ami ahhoz volt szükséges, hogy ennyi fajra költséghatékonyan meg lehessen oldani a szekvenálást.) Ezek segítségével meg lehetett becsülni, hogy milyen folyamatokhoz kapcsolódóak azok a fehérjekódoló gének, amelyek (feltehetőleg az adaptáció miatt) gyorsabban evolválódtak a repülőhalakban.

A gyorsan változó gének közt vannak olyanok, amelyek mondjuk az egyensúlyért felelős vesztibuláris rendszerhez kapcsolhatók, egyes izomfejlődésben fontos gének és számos olyan gén is, amelyet ilyen-olyan módon, más fajokban korábban már az uszony/végtag fejlődéséhez kapcsoltak. Ezek azok a gének, amelyeket jelen tudásunk alapján várnánk is, hogy változzanak, de persze egy ilyen összevetésben kijönnek olyan találatok is, amelyek általánosabb funkciót betöltő fehérjék és amelyek kevésbé “gyanúsak” egy ilyen esetben. Itt vannak például kálium-csatornákat (kcnk5a, kcnk9), vagy aminosav-transzportban fontos fehérjéket kódoló gének (lat4a, lat4b), amelyeket egy tipikus genomikai elemzésben még 4-5 évvel ezelőtt is a “futottak még” kategóriába soroltak. És ez az a pont ahol Harrisék csoportja szerencsére a genomikát egy jó adag (zebrahal)genetikával keverte össze, amitől igazán érdekes lett a történet.

A *longfin* (*lof*) mutánsokban egy domináns mutáció a *kcnh2a* gén érintette, ezért a revertáns allélok (R) esetében a fenotípus eltűnik. A *lat4a* esetében a domináns *nr21* allél rövidebb úszókat eredményez. (Forrás: bioRxiv)

Harris korábban a Nobel-díjas Christiane Nüsslein-Volhard egyik nagyon sikeres poszt-dokja volt és maga is részt vett abban a genetikai screen-ben, ahol olyan mutációkat kerestek, amelyek a felnőtt állatoknak változtatják meg valamiképpen a külalakját – mintázatát, pikkelyzetét, vázrendszerét, vagy épp az úszók méretét. Ez tipikusan olyan projekt volt, amihez egyrészt szükséges volt az a támogatás, amit egy Nobel díjas biztosítani tud, másrészt logikusan következett Nüsslein-Volhard (vagy, ahogy mindenki ismeri, Yani) korábbi munkáiból. Nobel díját Yani még azért a fantasztikus munkákért kapta, amit Eric Wieschaus-al együtt a korai muslica embriók fejlődésében szerepet játszó gének feltérképezése során végeztek (és ami az alapja minden fejlődésgenetika kurzusnak), majd ezután lényegében ugyanezt a munkát kiterjesztette zebrahal embriókra is. Ez volt ebben a fajban az egyik első komolyabb genetikai screen és egyben az egyik kulcsmomentum abból a szempontból is, hogy a George Streisinger által megálmodott modellszervezet valóban be tudott futni. De míg az embrionális genetikai screenek (főleg, ha muslicáról van szó), viszonylag gyorsak, addig ebben a legutóbbi kísérletsorozatban hónapokat, ha nem éveket kellett várni, amíg egyáltalán kiderült, hogy valóban új fenotípussal álunk szemben. Ebben a munkában játszott aztán fontos szerepet Harris.

Persze ekkor nem csak új mutánsokat kerestek, hanem a korábbi screenekből származó mutációkat is igyekeztek feltérképezni, így például azt is megérteni, hogy a nagyon eredetien longfin (lof) és another longfin (alf) névre keresztelt mutánsok, amelyek a nevüknek megfelelően meghosszabbodott úszókkal dicsekedhettek, milyen mutációknak köszönhetik létüket.

Az eredmény meglepő volt, hiszen ahogy először az alf esetében, majd később a lof-nál is kiderült, hogy a nagyobb úszóméretért kálium csatornák felelősek (előbbinél kcnk5b, utóbbinál pedig kcnh2a érintett). Mivel ezeket a csatornákat leginkább az idegrendszerben betöltött szerepük miatt tanulmányozták korábban, meglehetősen váratlan volt hogy megnövekedett expressziójuk eredményeképpen megnövekedett úszókat kaphatunk és egyben rávilágított, hogy a bioelektromos jelátvitel még sok más szövetben játszhat fontos szerepet.

(A) A *kcnh2a* és *lat4a* mutánsok kombinálásával létrehozható a “repülőhal” fenotípus, amit elnyúlt mellúszó (B), de rövid dorzális farokúszó (C) jellemez. (Forrás: bioRxiv)

Harris csoportja is a kcnh2a^lof mutációból indult ki (ők maguk is feltérképezték a mutáció helyét), hiszen ezek az úszók hasonlítanak leginkább a repülőhalak megnövekedett úszóira. Ugyanakkor a lof halakban a farokúszó mindkét része is megnyúlt ez pedig a repülőhalaknál nincs így. Ezért egy ellentétes hatású mutációt kerestek, egy olyant, aminek következtében rövidebbek lesznek az úszók és végül a nem túl fantáziadús nr21 “személyében” akadtak egy ilyen fenotípust okozó, domináns mutációra.

Az nr21 esetében a mutáció a lat4a génbe esett (itt is egy expressziót növelő, funkció-nyeréses mutációról van szó) és itt már érthető is, hogy miért ér össze a repülőhalak és a fura uszonyú zebrahal-mutánsok története, hiszen, ahogy fentebb írtam pont ilyen típusú gének mentek keresztól felgyorsult evolúción a repülőhalak genomjában.

Persze, ha van egy mutációnk, ami hosszabb úszókat hoz létre és egy másik, ami meg rövidebbet, adja magát a kérdés, hogy mi lesz, ha a kettőt összehozzuk? Harrisék megtették ezt és az eredmény pont azért izgalmas, mert kinézetében az így létrejövő kettős mutáns zebrahal (lat4a^nr21/+;kcnh2a^lof/+) eléggé hozza a repülőhalak “formáját”: elnyúlt mellúszókkal és felemás farokúszóval (felül rövid, alul hosszú) rendelkezik. Azaz két lépésben magunk is le tudtuk másolni a repülőhalak evolúciójának a talán leglátványosabb, thompsoni értelemben transzformációs lépését. (Természetesen mindez még nem elég a “repülőhalsághoz” és ezek a zebrahalak sosem fognak repülni. Ahhoz még számos más élettani és viselkedésbeli változásra lenne szükség.)

Bármennyire látványos is (és gumilapra kívánkozó) transzformáció, az “On Growth and Form”-ból sajnos pont a repülőhalak úszója hiányzik. De ez nem azért van, mert D’Arcy Thompsont esetleg nem érdekelték volna ezek a halak. A görög irodalomban nagyon is otthon levő Thompson maga fordította angolra Arisztotelész “Az állatok története” című művét, amiben a repülőhalak egyik első említése is található és ez kerülhetett be később, az “On Growth and Form” után három évtizeddel publikált “Glossary of Greek Fishes” című könyvbe is, amiben Thompson a klasszikus görög irodalomban említés szintén megjelenő halakat próbálta beazonosítani.

(A borítókép a Flickr-ről származik.)

Daane JM, Blum N, Lanni J, Boldt H, Iovine MK et al. (2021) Novel regulators of growth identified in the evolution of fin proportion in flying fish. bioRxiv 2021.03.05.434157; doi: 10.1101/2021.03.05.434157.

F.J. van Eeden, M. Granato, U. Schach, M. Brand, M. Furutani-Seiki, et al. (1996) Genetic analysis of fin formation in the zebrafish, Danio rerio. Development 123: 255-262.

Nüsslein-Volhard C. (2012) The zebrafish issue of Development. Development 139: 4099-4103 doi: 10.1242/dev.085217.

Perathoner S, Daane JM, Henrion U, Seebohm G, Higdon CW, Johnson SL, et al. (2014) Bioelectric Signaling Regulates Size in Zebrafish Fins. PLoS Genet 10(1): e1004080. doi: 10.1371/journal.pgen.1004080.

Stewart S, Le Bleu HK, Yette GA, Henner AL, Robbins AE, et al. (2021) longfin causes cis-ectopic expression of the kcnh2a ether-a-go-go K+ channel to autonomously prolong fin outgrowth. bioRxiv 790329; doi: 10.1101/790329.

A normális osztódás titka: egy minimál genom, plusz még pár gén

Közzétéve április 4, 2021 Szerző: Varga Máté

Válasz

Hány gén kell az élethez, vagy más szavakkal mi az a minimális genom, ami még lehetővé teszi, hogy egy sejt élni tudjon? Ez a viszonylag triviálisnak tűnő kérdés még mindig a legnehezebb kérdések egyike. Hiába szekvenáljuk és elemezzük most már ezrével a prokarióta élőlények genomjait, az utóbbi időben igazán nagy áttörést az elmúlt pár évben nem sikerült elérni. Ismerünk nagyon minimális genommal is fennmaradó parazita és szimbionta élőlényeket, de ezek gazdasejtjeiken kívül már nem életképesek, vagyis valamit elvesztettük abból a minimális génkészletből, ami az önálló élethez szükséges.

Az első emberi genom szekvenálásakor technológiai újításainak köszönhetően ismertté váló Craig Venter, pontosabban az általa alapított J. Craig Venter Institute (JCVI), most már több évtizede próbálja amolyan redukcionista eljárással meghatározni, hogy mi is lehet az a minimális genom, ami az élethez szükséges. Ez kb. azt jelenti, hogy fognak egy elég kis genomú baktériumot (esetükben a Mycobacterium mycoides-re esett a választás) és ebből próbálnak még kisebb genomú, de önállóan is életképes bakétriumot csinálni. Első próbálkozásuk inkább metodológiai érdekesség volt, ami azt bizonyította, hogy egy (ismert szekvenciájú) teljes genomot is meg lehet szintetizálni és aztán csak abból kiindulva is egy teljes értékű sejt jöhet létre.

Fél évtizeddel később aztán bejelentették, hogy elkészült a JCVI-Syn3.0, ami már valóban fontos lépés volt a genom-minimalizálás felé, hiszen az M. mycoides genom eredeti 901 génjéből több százat kiszórtak és végül 473 maradt. A Sny3.0 kétségtelenül élt, de ahogy akkor is tudni lehetett, azért egy picit “magyar narancs” jellegű volt, osztódási nem mindig voltak szimmetrikusak, gyakran nagy vakuólák, máskor filamentózus szerkezetek jelentek meg a tenyészetekben.

Most ennek a furcsaságnak mentek utána a JCVI és az amerikai Nemzeti Standardok és Technológia Intézet (National Institute of Standards and Technology – NIST) kutatói. A munkában modern mikrofluidikai berendezéseket használtak a fura sejtmorfológiák pontos jellemzésére és a kísérlet alapját az képezte, hogy visszamentek megvizsgálni azokat a köztes állapotokat, amelyek a Sny3.0 létrehozásakor találtak – ti. akkor a Syn1.0 genomot nyolc részre osztották és az egyes részekből párhuzamosan vágták ki a nem esszenciális géneket, majd a nyolc “minimál” genomdarabot egyesítették a Syn3.0 genomjába.

(A) A JCVI-syn3.0 létrehozásához a JCVI-syn1.0 genomját nyolc szegmensre osztották és azokból részletekben kiütötték azokat a géneket, amelyek nem tűntek esszenciálisnak. (B, C) Az így létrejövő sejt azonban furcsán viselkedett, vakuólákat és filamentózus szerkezeteket hozott létre. (Forrás: Cell)

Most a kutatók először arra figyeltek fel, hogy a furcsán viselkedő fenotípus már akkor megjelenik, ha Syn1.0 genomban a 6. szegmenst helyettesítjük a minimál-szegmenssel (RGD6), illetve fordítva, ha a Syn3.0-ban a hatodik szegmenst egy nagyobbra cseréljük vissza, akkor megint normálisan viselkedő sejteket kapunk (ez lett a JCVI-Syn3A). (A Syn1.0 és Syn3.0 genomok közt a hatodik szegmensben 76 génnyi különbség van, de itt elég volt egy fragmenst visszapótolni, amiben 19 plussz gén van.)

(A, B) Az eredeti JCVI-syn1.0 genomba csak a Syn3.0 genomjának hatodik szegmensét bejuttatva (RGD6), egy hibás osztódású törzset kapunk. (A, C) Ha a JCVI-syn3.0 genom hatodik szegmensét lecseréljük egy olyanra, amiben a hiányzó 76 génből 19 benne van (Syn3A) akkor a sejtek normális osztódásokat mutatnak. (Forrás: Cell)

Vagyis adta magát, hogy a szóban forgó hatodik szegmenst, pontosabban az abból kitörölt géneket kell még részletesebben megnézni, hogy megérthessük, miért nem osztódik normálisan egy JCVI-Syn3.0 sejt.

Ahogy az alábbi táblázat is mutatja, összesen 19 gén különbözik a Syn3.0 és Syn3A genomok között, amelyeket nyolc további alszegmensbe (klaszterbe) lehetett osztani. Ezek közt voltak olyanok (pl. riboszomális RNS-eket kódoló gének), amelyek eredetileg is azért töröltek, mert redundánsak, vagyis több kópiában is jelen vannak a genomban, így nem volt meglepő, hogy ezek visszapótlása a Syn3.0 genomba nem okozott változást, a sejtosztódások továbbra is furák maradtak.

De volt pár másik, mint pl. az ftsZ, amelynek a fehérjeterméke (egy tubulin jellegű fehérje) korábban is ismerten fontos szerepet játszik a sejtosztódásban. Nem túl nagy meglepetésre, az ftsZ fontosnak bizonyult a normális morfológiához. Végül összesen 7 olyan gént azonosítottak, amelyek így vagy úgy, de együtt bepótolva a Syn3.0 genomba biztosították a normális osztódást.

A JCVI-syn3A genomjában levő 19 db. extra gén listája (nyolc szegmensre osztva és a feltételezett funkciót feltüntetve) színkódolva, hogy melyek bizonyultak esszenciálisnak ahhoz, hogy a Syn3.0 genomba visszapótolva normalizálják a sejtosztódásokat. Csak az első szegmenst bejuttatva (JCVI-syn3.0+1) még nem kapunk normális sejtosztódásokat (alul balra), viszont az 1., 2. és 6. szegmensek együtt (JCVI-syn3.0+126) már helyrehozzák a sejtosztódás hibáit (alul középen). A helyzetet bonyolítja, hogy a Syn3A genomból kiindulva az első klaszter három génje (JCVI-syn3A ΔCluster1) például nem tűnik esszenciálisnak (alul jobbra). (Forrás: Cell)

A történet itt véget is érne, de azért még van két érdekesség, amit mindenképpen megemlítenék: egyrészt, hogy ebből a mindössze 7 db. génből is öt olyan, aminek nem ismerjük az igazi funkcióját. És amikor egy tényleg alig pár száz génből álló genom esetében is egy ilyenbe belefutunk, akkor az mindig kellő perspektívába teszi, hogy a saját, sokkal komplexebb és közel húszezer fehérje-kódoló gént tartalmazó genomunkat mennyire érthetjük per pillanat.

A másik fontos dolog, hogy néha az egyszerű dolgok sem egyszerűek. Például bármennyire is fontosnak tűnik, de nem elegendő, ha csak az ftsZ-t tartalmazó klasztert visszük vissza a Syn3.0 genomjába, hanem a hét említett génre együtt van szükségünk a normális fenotípushoz. Ugyanakkor, ha a Syn3A genomból indulunk ki és abból töröljük ki az ftsZ-t és két további esszenciális(nak tűnő) gént tartalmazó klasztert, akkor a morfológia továbbra is normális marad. Vagyis a Syn3.0 genomon végzett “visszapótlási kísérletben” nem esszenciálisnak bizonyuló tizenkét génnek (köztük szintén van három ismeretlen funkcióval) valamiképpen kompenzálnia kell tudnia ennek a három génnek a hiányát. Hogy hogyan valósul meg ez a redundancia, azt még ötlet szintjén sem tudjuk.

És ez az, ahol a technológia tour de force, amire a JCVI kutatói mindig is hajlamosak, önmagában nem tud segíteni. Mert itt van ugyan egy minimális genom, de még mindig olyan alapvető kérdésekre is keressük a választ, hogy egyes esszenciális gének miért is annyira fontosak.

(A borítókép a J. Craig Venter Institute oldaláról származik.)

Pelletier JF, Sun L, Wise KS, Assad-Garcia N, Karas BJ, et al. (2021) Genetic requirements for cell division in a genomically minimal cell. Cell doi: 10.1016/j.cell.2021.03.008.

Ettől (is) lett ekkora az emberi agy

Közzétéve április 3, 2021 Szerző: Varga Máté

Válasz

Bár a Fajok eredete igazából nem az ember eredetéről szól, mégis mindenki tudta és érezte már a megjelenésekor, hogy ez az az igazi kérdés, amit a benne leírt tudományos elmélet feszeget. Darwin, a rá jellemző visszafogottsággal, ebben a könyvében csak egy rövidke utalást tesz a kérdésre (“Fény derül majd az ember eredetére és történetére. (Light will be thrown on the origin of man and his history)”, amolyan beharangozóként későbbi, másik főművéhez, ami Az ember származása és az ivari kiválás lenne. Mindez jól tükrözi, hogy már bő másfél évszázada (ha pont nem “már a görögök óta”) az egyik legfontosabb kérdés, ami sok biológiai kutatás középpontjában is áll, arra keresi a választ, hogy mi az, ami minket fajként különlegessé tesz és megkülönböztet más fajoktól.

Itt a blogban már közel másfél évtizede is írtam egy hosszabb posztot arról, hogy mi különböztet meg minket főemlős rokonaiktól és amint abban is látszik, természetesen a kulcskérdés szinte mindig az agyra vonatkozik. Hiszen vannak egyéb érdekes vonásaink (pl. relatív szőrtelenségünk), de mégis az agyunk, pontosabban az agyunk által “kódolt” szellemi képességeink azok, amelyek minden jel szerint különlegessé tesznek bennünket – nem természetfelettivé, de mégis egy olyan fajjá, ami a saját eredetén és képességein gondolkodni tud.

Így aztán minden kor a maga technológiai repertoárjának megfelelően próbált nekiállni az agy vizsgálatának. Amíg csak morfológiát lehetett nézni, addig azt nézték előszeretettel és hasonlították más emlősök, főként emberszabásúak agyának morfológiájához. Amikor később mikroszkópos szintű vizsgálatokra kerülhetett sor, sokan a különböző neuronok morfológiájának, számának és kapcsolatainak feltárásában próbálták keresni a különbségeket. És amikor már genomszekvenciák is elérhetővé váltak, akkor vagy az egyes csimpánz/gorilla/ember szekvencia-szakaszok összevetését vették előszeretettel elő, vagy mindent megtettek, hogy az esetleges különbözőségek biológiai értelmét megfejtsék in vivo kísérletekkel.

Természetesen, mivel emberen és főemlősökön (nagyon helyesen) nem igazán lehet kísérletezni, korábbi technológiák esetében az in vivo kísérlet elsősorban azt jelentette hogy különböző gén-szakaszok emberi és csimpánz megfelelőit fejeztették ki egérben.

Az elmúlt években az in vitro , vagyis “Petri-csészében” nevelt, jellegzetes struktúrát és differenciációs mintázatot mutató 3D-s sejttenyészetek, az organoidok és még konkrétabban az agy organoidok (populárisabb nevükön “miniagyak”) formájában egy teljesen új technológia vált elérhetővé. Ezeknek a miniagyak használata egyébként is érdekes és fontos etikai kérdéseket vet fel, és mivel alapvetően érdekes dolgokat árulhatnak el az idegrendszer korai fejlődéséről, nyilvánvalóan csak idő kérdése volt, hogy valaki felhasználja őket a köztünk és más emberszabásúak közti különbségek boncolgatására.

Ez a “valaki” aztán annak a Madeline Lancasternek a csoportja lett, aki Jürgen Knoblich bécsi laborjában poszt-dokként eredetileg is az úttörője volt az agy organoidok készítésének és tanulmányozásának.

Az új Cell-ben közölt tanulmányban csimpánz és gorilla “miniagyakat” vetettek össze a (most már rutinból készített) emberi agy organoidokkal. Külsőre ezek eléggé hasonló struktúrákat hoztak létre, azzal a különbséggel, hogy az emberi organoidok jellemzőek nagyobbak voltak, mint a másik két emberszabásúé, bennük egy viszonylag nagyobb üreggel.

Emberi (Hum), gorilla (Gor) és csimpánz (Chmp) agy organoidok 3, 5, illetve tíz nappal a tenyésztés megkezdése után (bal oldalt), illetve különböző organoidok felszínének a számszerűsítés és összevetése (jobb oldalt). (Forrás: Cell)

Mindez arra utalt, hogy az emberi organoidokban egységnyi idő alatt több sejt keletkezik. Persze ezt igazolni is kellett, és végül több módszer segítségével ezt meg is tették. Ezeknek a megfigyeléseknek az érdekese hozadéka az a megfigyelés, hogy az emberi organoidokban az idegrendszeri progenitor sejtek gyorsabban osztódnak és később kezdenek el differenciálódni.

Az embrionális fejlődés során is az idegszövet kezdeti, “éretlen” állapota egy olyan ún. neuroepitélium (NE), ahol kicsit elnyúlt sejteket találunk, amelyek a kialakuló szövet mindkét oldalával (apikális, illetve bazális, szakzsargonban) kapcsolatban van. A sejtmagok egy jellegzetes jojó-mozgást végeznek ebben a stádiumban, oda-vissza mozognak a két felszín közt a sejtciklusuk alatt (ún. interkinetikus nukleáris migráció) és az apikális felszín közelében osztódnak.

Az organoidokban is ez ismétlődik meg (az apikális felszín az organoid belsejében nyíló üreg oldalán lesz) és az emberi miniagyakban gyorsabb ez a mozgás és későbbre tolódik az a pillanat, amikor a NE sejtek elkezdenek átalakulni (tNE), ami az első jele annak, hogy megkezdődik az idegszövet differenciációja.

Emberi és más emberszabású organoidokban kicsit különbözik a neuroepitéliális sejtek osztódási sebessége, illetve annak az az időpont, amikor az osztódóképes neuroepitéliális sejtek elkezdenek differenciálódni. Összességében ez ember esetében több idegsejt születését teszi lehetővé. (Forrás: Cell)

2021-ben nincs már magára valamit is adó cikk rettenetesen sok szekvenálási adat nélkül, így itt is rengeteg stádiumban meghatározták a fejlődő emberi és gorilla miniagyak génexpresszióját, olyan géneket keresve, amelyek egy kicsit más viselkedést mutatnak a két rendszerben.

A kísérlet logikája az volt, hogy feltételezhető, a kicsit eltérő sejtciklusok mögött valami szabályozó génnek a megváltozott expressziója állhat – ami, tegyük hozzá, azért egy nem minden kockázat nélküli hipotézis, főleg, hogy az ilyen típusú “adathorgász” megközelítések rengeteg potenciális lehetőséget szoktak feldobni, amelyek közül nagyon sok egyszerűen a szekvenálási adatokban jelen levő biológiai “zaj” eredménye és nincs igazi biológiai relevanciája. Végül azonban találtak/kiválasztottak egy ZEB2 nevű gént, amit tovább is vizsgáltak.

A *ZEB2* expressziója emberi és gorilla organoidokban (bal oldalon), illetve *ZEB2*-funkcióhiányos (*ZEB2+/-*) organoidok kitüremkedéseinek mérete a vad (WT) kontrollhoz viszonyítva (jobb oldalon). (Forrás: Cell)

Azért a ZEB2-re esett a választásuk, mert egyrészt ez pont olyan expressziós profillal rendelkezik, hogy egy picit hamarabb van az expressziós csúcsa a gorilla organoidokban, mint az emberben, másrészt maga a gén is számos olyan jelet mutat, hogy az ember felé vezető leszármazási vonalban felgyorsult az evolúciója és pár nagyon jellegezetes aminosav-változást hordoz.

Amikor aztán olyan emberi miniagyakat hoztak létre, amelyekben lecsökkentették a ZEB2 funkcióját, azok kicsit, de azért mérhetően nagyobbak lettek. Hogy ez olyan szignifikáns változás, ami valóban egyértelműen bizonyítja a ZEB2 evolúciós szerepét valószínűleg vitatható lesz: míg a három faj organoidjai közt egyértelmű méretkülönbségek voltak, a ZEB2-hiányos organoid esetében a Lancaster-csoport már csak az organoidok oldalán megjelenő kis kitüremkedések (bud perimether) tudtak valamit kimérni.

A ZEB2 fehérje egyébként BMP-jelátviteli útvonal modulátoraként léphet itt fel és azt szabályozhatja, hogy mennyire hamar kezdődik el az a morfológiai átalakulás az apikális oldalán a NE sejteknek, ami aztán a differenciáció (vagyis a sejtciklusból való kilépés) felét tett egyik első fontos lépés lehet.

Összességében a cikk sok szempontból fontos mérföldkő lehet az ilyen típusú kutatásokban, de ahogy a korábbi hasonló tanulmányok esetében, még azért el kell egy kis időnek telnie, hogy meg tudjuk ítélni, mennyivel kerültünk valóban közelebb az emberi agy különlegességének megértéséhez.

Benito-Kwiecinski S., Giandomenico SL, Sutcliffe M, Riis ES, Freire-Pritchett P, et al. (2021) An early cell shape transition drives evolutionary expansion of the human forebrain. Cell https://doi.org/10.1016/j.cell.2021.02.050.

Evolúciós kártyajáték fiúknak és lányoknak: everyday i’m shuffling

Közzétéve március 28, 2021 Szerző: Jezsó Bálint

Az állatvilágban (ha és amennyiben kétivarú fajokról beszélünk) a nemek kialakításáért felelős folyamatoknak (szexdetermináció) megdöbbentően széles spektrumával találjuk szembe magunkat. Csak a „magasabbrendű” magzatburkos gerincesekre szorítkozva eddig három egészen különböző logikájú rendszert írtak le: az emlősöknél és a madaraknál egyaránt az ivari kromoszómák játszák a fő szerepet, de míg előbbi esetben a hímek (XY), addig utóbbi esetben a nőstények (ZW) a különböző nemi kromoszómákat hordozó, ún. heterogametikus egyedek. A hüllők szerteágazó rokonságában szintén találkozhatunk kromoszomális szexdeterminációval, de a harmadik nagy kategóriát is a hüllők képviselői közt lelhetjük fel: sokuknál környezeti faktoroktól, pl. a fészekalj hőmérsékletétől függ a kifejlett példányok neme (nagyon sok hüllőfajt éppen ezért a klímaváltozás az ivararányok drasztikus eltolódása révén különösen érzékenyen érint). És persze előfordulhatnak előzőek furcsa kombinációi, mint a szakállas agámák esetén.

Adja magát a kérdés, hogy az egymással közelebbi, vagy távolabbi rokonságban álló magzatburkos csoportok milyen evolúciós utat járhattak be, ami végül az egyes csoportok eltérő ivarmeghatározó rendszereinek megjelenéséhez vezetett? Egy másik érdekes kérdés, hogy a sokféle szexdeterminációs rendszer közül melyik hasonlíthat legjobban a magzatburkosok utolsó közös ősében működő rendszerhez. A kérdés megvizsgálására a modern genetikai eszközök és új tudományágként az összehasonlító genomika kiváló lehetőségeket kínál.

Vegyük rögtön (nem minden nárcizmustól mentesen) a saját példánkat! Ha kíváncsiak vagyunk rá, hogy honnan származik a Homo sapiens ivarmeghatározása, akkor először körbe kell nézni a méhlepényes emlősök (Placentalia) között, majd vetni kell egy pillantást az erszényesek (Marsupialia) szexkromoszómáira, végül meg kell nézni az emlősök osztályának legkorábban (kb. 160-180 millió éve) leágazott rendjét, a kacsacsőrű emlőst (Ornithorhynchus anatinus) és a 4 recens hangyászsünfajt magába foglaló Monotremata csoportot.

Ahogy az emlősök családfájának ágain ugrálva távolodunk saját fajunktól, úgy végigkövethetjük az X és az Y kromoszóma változásait is, de ha leérünk a fa legalsó ágához, ott nagy meglepetések fogadnak. A Monotremata csoportnak ugyanis nem pusztán 1, hanem rögtön 5 pár szexkromoszómája van. Ez az öt pár kromoszóma ráadásul egy nagyon különleges multikromoszómás komplexet alkot a sejtosztódások során, megelőzendő a homológok véletlenszerű kiosztását a leánysejtek között. Különösen fontos ez az ivarsejteket képző számfelező osztódás (meiózis) során, hisz egy ivarsejtbe (gaméta) vagy csak X, vagy csak Y kromoszómák kerülhetnek.

A Monotremata, Marsupialia és a méhlepényeseket is magába foglaló Eutheria csoportok viszonyait mutató, néhány fontos evolúciós újítást is feltüntető törzsfa (Warren és mtsai. 2008)

A Monotremata szexkromoszómák (miként más állatoknál is) tartalmaznak nem rekombinálódó, a nemek kialakítását szabályozó régiókat (SDR – sex determination region), illetve olyan régiókat, amelyek lehetővé teszik a kromoszómapárok egymásra találását – ezek a régiók ugyanúgy működnek, mint a nem-kromoszómák, azaz automszómák (nevük is ennen ered: pszeudoautoszómális régiók – PAR). A trükk, ami a különleges multikromoszómás komplex kialakulását eredményezi abban áll, hogy nem csak a kromoszómapárokon, de a sorban egymást követő X és Y kromoszómákon is találhatók egymáshoz illeszkedő PAR-ok. Így tehát a kacsacsőrű emlős X1-es kromoszómája nőstény egyedekben kapcsolódhat egy másik X1-hez és X2-höz is, míg hímekben az egyik X1 helyett Y1 áll. Az Y1 X2-höz, az X2 Y2-höz és X3-hoz, X3 Y3-hoz és X4-hez, ami Y4-hez és X5-höz, ami végül Y5-höz illeszkedik meióziskor.

További érdekesség, hogy a szekvenciaelemzések az így kialakuló kromoszómaláncok két végén is feltártak egy-egy, mostanra már erősen mutálódott PAR elemet, amelyek a mai Monotrematák őseinél elvileg lehetővé tehették, hogy a láncszerű multikromoszómás komplex gyűrűvé záródjon. Ha ez a hipotetikus őskromoszóma-komplex valóban képes volt a saját farkába harapni, az már csak azért is izgalmas, mert eddig az egész élővilágban csak egy növényél, pontosabban egy ligetszépe fajnál figyeltek meg gyűrűbe záródó meiotikus kromoszómaláncot. Ritka kuriózum hát az ilyen!

A kacsacsőrű emlős és a hangyászsün genomok feltérképezésének korai szakaszában, Rens és munkatársai közöltek egy izgalmas összehasonlító tanulmányt, amelyben akkor főleg in situ hibridizációs (FISH) módszerek segítségével vetették össze egymással a kacsacsőrű emlős és a hangyászsünök, valamint a méhlepényesek és a madarak ivari kromoszómáit. Ami már az elején feltűnő volt, hogy a Monotremata fajok szexkromoszómái néhány apróbb különbséget leszámítva erősen konzerváltak. Az egy már korábban megfigyelt különbség, hogy a hangyászsünök Y5-ös kromoszómája hiányzik. Ez a kromoszóma a kacsacsőrű emlősnél is meglehetősen apró, így korábban elfogadható magyarázatnak számított, hogy a hangyászsünök egyszerűen elveszítették azt valamikor az evolúciójuk során. Rensék kutatásai annyival árnyalták ezt a képet, hogy a hangyászsün Y3-as kromoszómáján találtak olyan régiókat, amelyek az elveszettnek hitt Y5-nek felelnek meg. Az újabb értelmezés szerint tehát ez a kromoszóma nem eltűnt, csak integrálódott a hármas sorszámú Y kromoszómába, hasonlóan ahhoz, amikor két kártyapaklit egybekeverünk.

A rövidcsőrű hangyászsün (*Tachyglossus aculeatus*) és szexkromoszómái, amint láncszerű komplexet alkotnak (Rens és mtsai. 2007).

Visszatérve eredeti kérdésünkhöz, hogy honnét származik a méhlepényesek, illetve az ember X és Y kromoszómája, egy dolgot már biztosan elmondhatunk: nem a legelső emlősöktől örököltük őket. A Monotremata szexkromoszómák ugyanis nem mutatnak semmilyen homológiát a Placentalia szexkromoszómákkal. A mi magányos és aprócska Y kromoszómánkon található SRY lókusz pedig, ami a méhlepényeseknél kulcsszerepet tölt be a herék fejlődésének kezdetén, s így végső soron a hím nemi jellegek megjelenésének forrása, mind a kacsacsőrű emlős, mind pedig a hangyászsünök genomjából hiányzik.

A méhlepényesek X kromoszómájának hosszú karján található egy, a dóziskompenzációban fontos lókusz, az XIST. Ennek a szakasznak a megfelelőjét kimutatták ugyan a kacsacsőrű emlős genomjában, de nem az egyik ivari kromoszómán, hanem a 6-os autoszómán, arra pedig egyelőre semmi nem utal, hogy ez a lókusz bármiféle szerepet is betöltene a kacsacsőrű emlősök szexdeterminációjában. Jelenleg úgy tűnik tehát, hogy a Monotremata és a többi emlős szexdeterminációs rendszere egymástól függetlenül jelent meg a két csoport elválását követően, és semmiféle közös eredettel nem bír.

Nagyfokú homológia mutatható ki azonban a kacsacsőrű emlős X5-ös, a hangyászsünök X4-es szexkromoszómája, valamint a madarak Z kromoszómája között. A madarak szexdeterminációjában fontos szerepet játszó, dózisfüggő transzkripciós faktorok, a DMRT-1, -2 és -3 mind megtalálható a kacsacsőrű emlős X5-ös szexkromoszómáján, de találtak olyan Z kromoszómára térképezett géneket is, amelyek ortológjai a kacsacsőrű emlős X2 és X3 ivari kromoszómáján helyezkednek el. Ugyanezek a Monotremata kromoszómarégiók nagyfokú egyezést mutattak a humán 9-es autoszómával is, ami többé-kevésbé megfeleltethető a madarak Z kromoszómájának, illetve a humán 5-ös és 18-as kromoszómáknak azon részleteivel, amelyek a madarak 2-es autoszómájával hibridizáltathatók.

Azt jelentené ez, hogy a Monotremata és a madár szexdetermináció (az XY és a ZW rendszerek eltérő logikája ellenére) azonos gyökerekre vezetnek vissza? A hüllőket és madarakat magába foglaló Sauropsida, valamint az összes mai emlőst, és egy seregnyi emlősszerű őshüllőt tartalmazó Synapsida csoportok több mint 300 millió éve, a késő Karbonban válhattak el egymástól. Ha tehát elfogadjuk az iménti felvetést, azzal azt is feltételezzük, hogy a legkorábbi magzatburkosok nemmeghatározása szempontjából a DMRT gének fontosak lehettek.

Árnyalja a képet egy idén januárban a Nature hasábjain megjelent cikk, amelynek szerzői már elég részletes genomi információk birtokában kísérelnek meg rendet tenni az emlős kromoszómák háza táján. A kísérlet nem volt sikeres, hisz a rendcsinálás közben a kupleráj, amelybe a fenti sorok olvasása közben betekintést nyerhettünk, csak sokszorosára duzzadt.

A fali gyík, a házityúk, a kacsacsőrű emlős, a tasmán ördög, egy oposszum faj és az ember genomjának konzervált kromoszómális régióit és e régiók egymáshoz viszonyított pozícióját elemezték, s megállapították, hogy e régiók igencsak össze lettek keverve az elröppent év-százmilliók alatt. A szerzők ötszáznál is több független kromoszómaátrendeződési eseményt azonosítottak (transzlokációk, kromoszómafúziók és fragmentálódások).

Most képzeljük el, hogy valaki egyszer az aztalon felejtett néhány pakli kártyát, amiket minden arra járó ember keverget egy kicsit. Nekünk pedig egyszer csak a mániánkká válik, hogy lépésről-lépésre megértsük a paklik összekeveredésének történetét. Szerencsénkre a kártyaasztal a rajta lévő paklikkal együtt, valami rejtélyes módon párszor lemásolta saját magát, így az egyes másolatokból kinyerhetünk némi információt arra vonatkozóan, hogy a másolatkészítés pillanatában hogyan néztek ki az „ősasztal” „őskártyapaklijai”. De jaj! Valaki aljas módon tovább keverte az összes másolat-kártyapaklit is! Ön hogy állna neki az eredeti kártyapaklik rekonstrukciójának?

A rekonstruált emlős-őskromoszómák (MAC), és a kromoszómaátrendeződési események az egyes leszármazás ágakon, színkódolva. Az ágakon a beazonosított események száma, az elágazási pontoknál pedig az ott jelölt közös ős diploid kromoszómaszerelvénye látható (Zhou és mtsai. 2021).

A megoldás kulcsát az asztalmásolatok jelentik. Ha ezeket összehasonlítva az egyes paklik kártyasorrendjében hasonlóságot találunk, akkor az a másolatkészítés előtt alakult ki, ha pedig különbségeket, akkor azok olyan kevergetésből származnak, amelyek a másolatkészítést követően történtek. A kártyás allegóriát feloldva: a kártyalapok kromoszómarégiókat, a paklik kromoszómákat, az asztalok pedig fajokat jelölnek, amelyek összehasonlítása révén nyílik lehetőségünk a keverés történetének és végső soron az „őskártyapaklik” rekonstrukciójára. Zhou és munkatársai elvégezték hát ezt a heroikus rekonstrukciót, és egyebek mellett megállapították, hogy az emlősök közös ősének valószínűleg 30 pár kromoszómája volt. A szerzők azon túl, hogy mind a 30 őskromoszómáról (Mammalian Ancestral Chromosome – MAC) leírták a konzervált régiók relatív sorrendjét, fontos megállapításokat tettek a szexkromoszómákkal kapcsolatban is.

Úgy tűnik, hogy a Monotremata 5 pár ivari kromoszómájának mindegyike több, különböző kártyapakli lapjaiból tevődött össze. Az a hasonlóság tehát, amit anno Rens és szerzőtársai a madarak és a Monotremata szexkromoszómák között megfigyeltek szinte biztosan nem arra vezethető vissza, hogy a madár Z és a kacsacsőrű emlős X5 kromoszómája egy közös őskromoszóma két távoli leszármazottja lenne.

Az új tanulmányok fényében az a fentebb megfogalmazott elmélet is megingott kissé, hogy DMRT gének ivari determinációban betöltött szerepe egy ősi magzatburkos vonás lenne. Hiszen egy ilyen viharos sorsú kártyaasztalnál nem elképzelhetetlen az sem, hogy két független kiosztásban kap egy gén hasonló szerepet, s kerül mondjuk szexkromoszómára. Tartsuk szem előtt, hogy a madarak és az emlősök utolsó közös őse több mint 300 millió éve élt a Földön, és hogy ismerünk olyan állatokat is, ahol egy fajon belül kettő, vagy több tök különböző szexdeterminációs rendszer is működik!

Na és mit tudunk meg végre a saját ivari kromoszómáinkról?

Korábban említettük az Y kromoszómánkon található SRY lókuszt, amely a Theria (tehát erszényes és méhlepényes) közös ősben már jelen volt és a maihoz hasonló szerepet tölthetett be, de a Monotremataban még nyomát sem látni. Az X kromoszómánk szintén a Monotremata-Theria elvállást követően jelenhetett meg, de a méhlepényeseknél fontos dóziskompenzációs gén, az XIST csak a méhlepényes-erszényes elvállást követően bukkant fel az X kromoszóma történetében. Fontos különbség még a kenguruk és az ember X kromoszómája között, hogy a méhlepényesek X kromoszómája az ősidőkben fuzionált egy ősi Theria autoszómával, míg az erszényeseknél ilyen fúziós esemény nem történt.

Szövevényes történetek játszódhattak a kártyaasztalok körül, és egyenlőre csak a legfontosabb események vázlatát látjuk. Ugyanakkor nem tudunk semmit azokról a játékosokról, akiknek a lapjárása olyan szerencsétlenül alakult, hogy kihajították őket az evolúció kaszinójából, és azok se buktak még le, akik cinkelt kártyával játszottak. Egyszer majd talán ezekre a történetekre is fény derül.

__________

Nicole Valenzuela és mtsai. (2019) Extreme thermal fluctuations from climate change unexpectedly accelerate demographic collapse of vertebrates with temperature-dependent sex determination” Scientific Reports

Craig A Smith és mtsai. (2009) The avian Z-linked gene DMRT1 is required for male sex determination in the chicken Nature

Hieronim Golczyk és mtsai. (2014) Translocations of Chromosome End-Segments and Facultative Heterochromatin Promote Meiotic Ring Formation in Evening Primroses. Plant Cell

Willem Rens és mtsai. (2007) The multiple sex chromosomes of platypus and echidna are not completely identical and several share homology with the avian Z. Genome Biology

Yang Zhou és mtsai. (2021) Platypus and echidna genomes reveal mammalian biology and evolution. Nature

CriticalBiomass

Majdnem minden, ami biológia

Ádám Radványi bejegyzései

Homoszexualitás: Peccatum contra naturam?

Homoszexualitás és az emberi természet

Homoszexualitás az állatvilágban?

Isten és Darwin nevében

A darwini paradoxon és lehetséges megoldások

Zárszó

Időjárásjelentés az Élet hajnaláról (QWERTY billentyűzettel írva)

A genetikai kód és a QWERTY billentyűzet talányai

Miért pont ezek a kiosztások terjedtek el?

Miért QWERTY?

Mit tudtunk meg a genetikai kódról?

Miért meglepő ez?

Hamarabb teszi az ember a lábát a Marsra, mint egy valós Jurassic Parkba

Kezeslábas galambászat

A rovarvilág kakukkjai

Őskori szerelem – reloaded

Mi kell, hogy a ponty repüljön, mint a pinty?

A normális osztódás titka: egy minimál genom, plusz még pár gén

Ettől (is) lett ekkora az emberi agy

Evolúciós kártyajáték fiúknak és lányoknak: everyday i’m shuffling