Critical Biomass » EvoDevo

EvoDevo bejegyzései

2005. december 10., szombat

Test, alkat - 1.

dolphin | 7:27 | EvoDevo

Az ehavi Nature Reviews Genetics melléklete az állatok tetszerveződésével kapcsolatos alapkérdéseket taglalja (leginkább evolúciós szempontból). Ezek tipikusan olyan kérdések, amely nagyon sok biológus oldalát furdalják, de nehéz kutatásukra pénzt szerezni, mert szinte lehetetlen komolyan megindokolni, hogy a puszta ismereten kívül milyen gyakorlati haszna lehet az így megszerzett tudásnak. Az sem fokozza az ilyenirányú kutatások támogatását, hogy gyakran obskurus, primitív állatok vizsgálatáról van szó, amelyek nem igen jönnek szóba mint bármilyen emberi betegség modellállata.
Na jó, akkor ennyi rinyálás után lássuk a medvét. A cikksorozat utolsó darabja Mark Martindale tollából származik és a többsejtűek tengelyeinek kialakulásával ill. az ezzel kapcsolatos tulajdonságok megjelenésével foglalkozik ("The evolution of Metazoan axial properties"). Amiért különösen érdekes, az nem is az, hogy egy remek összefoglalót ad azokról a tulajdonságokról, amelyek a legkülönbözőbb állatokban közösek, hanem hogy világosan megfogalmazza azokat a nagy kérdéseket amelyeket még nem értünk teljesen vagy egyáltalán.
Jöjjön előbb a már említett közös tulajdonságok közül a két talán legfontosabb, amelyek a hidráktól a gerincesekig sokfajta fajban megfigyelhetők, ezért feltehetően a többsejtűek (metazoák) közös ősében jelen voltak:

- durva általánosításban a megtermékenyített petesejt animális pólusa felel meg az organizmus leendő elülső (anterior) végének, míg a vegetális pólus a leendő hátsó (poszterior) véggel azonosítható;
- a beta-catenin nevű fehérje sejtmagban való lokalizációja, számos gén expressziója (pl. brachyury, forkhead, gata) és a gasztruláció (az a folyamat, amelynek során az addig kvázi labda alakú embrióból egy kétrétegű "sapka" lesz, az embrió egyik részének az elsődleges testüregbe való betűrődésével - közben létrejön a másodlagos testüreg és később a csíralemezek) helye között szoros összefüggés van, annak ellenére, hogy az animális-vegetális tengelyen igencsak különbözik a gasztruláció helye újszájúakban és ősszájúakban.

És akkor lássuk a kérdéseket is (pontosabban csak néhányat, mert elég sok van):

- létezett-e olyan élőlény amelyik az egyszerű blasztula állapotot "testesítette" meg? (Míg a ma ismert legegyszerűbb többsejtű, a Placozoa csoportba tartozó Trichoplax adherens egy többsejtrétegű lapos lemez, amely feltehetően a blastula előtti állapotot tükrözi, az egyszerűségi sorrend következő helyezettjének, a szivacsoknak a lárvái ugyan blastula alkatúak, de a felnőtt egyedek ezekből átalakulással jönnek létre. A kettő közötti átmenetre vonatkozik a kérdés.)
- az anterior-poszterior (AP) tengely vagy a dorso-ventrális (DV) tengely alakult ki előbb? (Ezek minden kétoldali szimmetriájú állatban fellelhetőek; a dorsális oldal a "hátnak" felel meg, míg a ventrális "hasnak" mind gerincesekben, mind rovarokban, bár egyesek szerint dorsálisként azt az oldalt kellene nevezni, amelyikhez közelebb a központi idegrendszer található - ez pedig a hasi oldal lenne a rovarokban és a háti a gerincesekben.)
- mikor alakult ki a kétnyílású bélrendszer?
- mennyire volt a legősibb többsejtű genomja komplex (erre már utaltam a Platynereis kapcsán)? A testalkatok komplexitásának növekedése a gének számának növekedésével, vagy "csak" szabályozásuk és kölcsönhatásaik összetettebbé válásával magyarázható?
- hogyan és mikor jelentek meg az egyes csíralemezek és az új sejttípusok?
- lehet-e köze az egysejtű eukarióták polaritásának a többsejtű állatok polaritásához?
- melyik az ősibb csoport: az ősszájúak vagy az újszájúak? (Az elnevezés mesterséges és egy korabeli felfogást tükröz, valójában nem tudjuk, melyik testtípus jelent meg előbb.)

- létezett-e valaha tökéletesen körkörös szimmetriájú többsejtű állat? (A klasszikus példának tartott csalánozók esetében rendre kiderült, hogy nem minden gén expressziója mutat körkörös szimmetriát, vagyis létezik egy rejtett kétoldaliság.)
- melyek a legrégebbi gén-kölcsönhatási útvonalak?
Szóval kérdés az akad szép számmal. Szerencsére a befutottabb modell-organizmusok genom projectjei lassan lecsengenek, így van rá esély, hogy a felszabaduló szekvenálási kapacitással nekilátnak egy-egy evodevo-s szempontból érdekes élőlény DNS-ének felderítéséhez is. És abból még mókás dolgok is kiderülhetnek ...

Martindale, MQ (2005) The evolution of metazoan axial properties. Nat Rev Gen 6, 917-927.

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. december 8., csütörtök

Eb-adta

dolphin | 7:01 | EvoDevo

Alig két napja írtam "emberiség leghosszabb ideje futó és leglátványosabb eredményeket produkáló genetikai kísérletének" tartható kutyatenyésztésről (egyébként az a hosszú idő uszkve 15.000 év), és újból az ebekről kell írnom. Ez alkalommal azért mert egy olyan eszközt kaptunk a kezünkbe, amellyel még többet kihozhatunk négylábú barátainkból. Ez az eszköz nem más mint egy nagyfelbontású térképe a kutya-genomnak (egy kisebb felbontású verzió már 2003-ban kijött [1], ahhoz egy uszkár szolgáltatta az "alapanyagot", a mostanihoz egy nőstény boxer), amit a Nature hasábjain közölt egy nemzetközi kutatócsoport [2].
Miért fontos ez? Leginkább azért mert sok kutyafaj annyira beltenyésztett, hogy ideális alanya lehet a legkülönbözőbb genetikai hátterű betegségek (narkolepszia, süketség, rák, stb.) tanulmányozásának. A genom térképpel a kezünkben pedig még könnyebben lehet a betegségek génjeit megtalálni, és pedig azért, mert (mint a cikkből kiderül) az egyes fajtákon belül az ún. haplotípus blokkok relatíve hosszúak, így viszonylag kevés genetikai marker felhasználásával is le lehetett szűkíteni a "gyanúsított" gének körét. (A haplotípus blokkok együtt szegregálódó, vagyis osztódáskor együtt öröklődő genetikai markerekre vonatkoznak. Genetikai térképezés szempontjából annál jobb, minnél hosszabbak, hiszen az együtt szegregálódás miatt egyetlen egy genetikai markerrel lehet jellemezni az adott régiót - így hosszú blokkok esetén kevesebb marker kell a teljes genom lefedéséhez. Normális (azaz nem tenyésztési) körülmények között, hosszú idő alatt, a sejtek meiotikus osztódásakor bekövetkező átkereszteződés (crossing-over) ezeket a haplotípus blokkokat feldarabolja a populációkban - pl. az összes kutyát és nem egyes fajtákat tekintve, a blokkok átlagos hossza kb. ua. mint bennünk, emberekben.)
Az egyéb érdekességek közül még két dolog melengeti meg egy fejlődésbiológus szívét: egyrészt, bár a kutyák genomjában kevesebb repetitív, nem kódoló szekvencia van, mint bennünk emberekben (emiatt genomjuk teljes hossza is lényegesen - kb 500 Mb-al - rövidebb), az egyik ugráló génjük (egy ragadozó specifikus Short INterspersed Element, vagy SINE) igen aktív és egyes betegségeket (például a már említett narkolepszia) az okozza, hogy egy-egy génnek a kódoló szekvenciájba ugrik. A másik pedig az, hogy a jelek szerint az emberi genom kb 5.3%-a igen erős konzerválódást mutat a kutyaéval összehasonlítva. Ez nem tűnik első hallásra soknak, de ha hozzá teszem, hogy az emberi genom csak mintegy 1.5-2%-a kódol fehérjéket, érdekesebb lesz. Ugyanis ez azt jelenti hogy számos olyan nem-kódoló DNS szakasz van, ami valójában nem nagyon változott, vagyis fontos funkciója lehet. (Ilyenekről már eddig is sokat tudtunk, de azért mindig jó egy kicsit újból meggyőződni - ráadásul ez súlyt ad annak az álláspontnak, hogy az evolúció nem elsősorban új gének létrehozásával "üzemel", hanem a már meglévők szabályozásának változtatgatásával.) Sőt, ezen nem-kódoló, de konzervált DNS szakaszok fele a gének kb 1%-nak szabályozásáért felelős, pont olyanokért (láss csodát ;-)), amelyeknek az egyedfejlődésben van kulcsszerepük.

[1] Kirkness EF, Bafna V, Halpern AL, Levy S, Remington K, Rusch DB, Delcher AL, Pop M, Wang W, Fraser CM, Venter JC. (2003) The dog genome: survey sequencing and comparative analysis. Science 301: 1898-903.
[2] Kerstin Lindblad-Toh, Claire M Wade, Tarjei S. Mikkelsen, Elinor K. Karlsson, David B. Jaffe, Michael Kamal, Michele Clamp, Jean L. Chang, Edward J. Kulbokas, III, Michael C. Zody, Evan Mauceli, Xiaohui Xie, Matthew Breen, Robert K. Wayne, Elaine A. Ostrander, Chris P. Ponting, Francis Galibert, Douglas R. Smith, Pieter J. deJong, Ewen Kirkness, Pablo Alvarez, Tara Biagi, William Brockman, Jonathan Butler, Chee-Wye Chin, April Cook, James Cuff, Mark J. Daly, David DeCaprio, Sante Gnerre, Manfred Grabherr, Manolis Kellis, Michael Kleber, Carolyne Bardeleben, Leo Goodstadt, Andreas Heger, Christophe Hitte, Lisa Kim, Klaus-Peter Koepfli, Heidi G. Parker, John P. Pollinger, Stephen M. J. Searle, Nathan B. Sutter, Rachael Thomas and Caleb Webber, Broad Sequencing Platform members and Eric S. Lander (2005) Genome sequence, comparative analysis and haplotype structure of the domestic dog Nature 438: 803 - 819.

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. december 6., kedd

Mitől akkora az arcod?

dolphin | 6:03 | EvoDevo

Ha az emberiség leghosszabb ideje futó és leglátványosabb eredményeket produkáló genetikai kísérletét kellene megnevezni, akkor a kutyatenyésztés igen jó eséllyel pályázhatna a lista első helyére, mint arra az eddigi legteljesebb kutya törzsfát publikáló csapat is rámutat [1]. Az egyik elterjedt vélekedés szerint az első szelidített ebek valahol Ázsiában jelentek meg és innen vándoroltak különböző nomád csoportok oldalán a sarkkör felé, Afrikába illetve végül Európába. Mindenesetre ezt látszik alátámasztani a fent említett tanulmány eredménye is, hiszen a kutyák törzsfáján a farkashoz legközelebbi ebek ősi ázsiai és arktikus fajtákhoz tartoznak (1. Ábra).
1. Ábra: Nyocvanöt kutyafajta és a szürke farkas genetikai összehasonlításából készült törzsfa. Az ázsiai és arktikus fajokat tartalmazzák a legrégebbi elágazások, míg a legtöbb Európában nemesített faj a klasszikus statisztikai módszerekkel nehezen szétválasztható "All other breeds" csoportba került. (Ezen belül érzékenyebb módszerek három nagyobb csoportot különítettek el: az elsőbe elsősorban a pásztorkutyák pl. skótjuhász, komondor, kuvasz kerülnek, de ide tartozik a bernáthegyi és a szürke agár is (ez utóbbi meglepő lehet, hiszen az afgán agár az egyik ősi fajtaként jelenik meg: arról lehet szó, hogy a szürke agarat később nemesítették az afgán névrokonától függetlenül), a másodikba a masztif-félék (masztif, bulldog, boxer, bull-terrier) találhatók (itt külséejében "kakukktojás" a németjuhász) még minden más fajta a harmadik csoportban van.) [1]
Mindenestre a szorgalmas és céltudatos tenyésztgetésnek meglett az eredménye mind genetikailag (a fajták közötti genetikai különbség a különböző kutyák közti variáció közel harmadát teszi ki - összehasonlításként a nagyon elkülönült humán populációk között is max. 5-10% ez az arány), mind mint azt nyilván fölösleges ecsetelnem kinézetileg (fenotípusosan). Mi okozhatott ilyen - viszonylag - gyors fenotípusos változást? Az egyik lehetséges okról, a gének szabályozó szekvenciáiban bekövetkező változásról már írtam korábban, de van egy másik igen érdekes elképzelhető ok is.
A különböző genomokban viszonylag gyakoriak az ún. mikroszatelliták. Ezek általában két vagy három bázis ismétlődéséből állnak (pl. CACACACACACA... vagy CAGCAGCAGCAGCAG...), előbbi főként nem kódoló DNS-re jellemző, míg utóbbi a fehérjéket kódoló DNS-re . Mindmáig nem teljesen tisztázott okokból, de a legvallószínűbbnek a DNS polimeráz "megcsúszását" tartják, az ismétlődések száma gyakran változik különböző egyedek között (ez az oka annak, hogy kódoló szekvenciában triplet ismétlődések vannak, hiszen a genetikai kód is "hárombetűs", így a csúszás erdeménye egy extra aminosav, míg dinukleotida ismétlődés esetén, az egész "leolvasó keret" eltolódna és a mikroszatellita után levő DNS teljesen mást kódolna). Ezt egyrészt remekül lehet hasznosítani rokonsági vizsgálatokban (ha közeli rokonokban vizsgálunk több mikroszatellitát, azok nagy valószínűséggel egyezni fognak), másrészt azonban a túl hosszúvá váló ismétlődések olyan súlyos betegségeket okozhatnak mint a spinocerebelláris ataxia vagy a Huntington-kór.
Egy texasi kutatócsoport azt kezdte el vizsgálni, hogy összefüggésbe hozhatók-e a mikroszatelliták hossza az egyes kutyák morfológiai tulajdonságaival [2].
2. Ábra: Kutyakoponyák morfológiájának gyors változása: az A panelben fajtiszta bernáthegyi koponyák láthatók ~1850-ből (felül), 1921-ből (középen) és 1967-ből (alul), a B panelen bull-terrier koponyák 1931-ből, 1950-ből és 1967-ből, végül a C panelen újfullandi koponyák 1926-ból, 1964-ből és 1971-ből. A középső terrier-koponya gazdájának runx-2 génjében az egyik mikroszatellita hosszabb mint a modern bull-terrierek azonos génjében. (Ez alátámasztja a kutatók modelljét, de azért egy egyfős minta nem igazi, szóval csak óvatosan lelkesedni... ;-)) [2]
A koponyamorfológiát befolyásoló transzkripciós faktorokat végignézve korellációra leltek a Runx-2 nevű fehérjében levő mikroszatelliták hossza és a koponya alakja között. A Runx-2-ben kétfajta mikroszatellita van egymás után: az egyik egy poli-glutamin (polyQ) szekvenciát kódol, a másik pedig egy poli-alanint (polyA). Általában más kísérleti rendszerekben a polyQ növekedés (bizonyos határok között) a transzkripció aktivációs képességet növelik, míg a polyA növekedés ugyanazt csökkenti. A kimutatott összefüggés szerint a polyQ/polyA arány összefügg a koponya hosszával és hajlásával (2. Ábra).
Hogy egy kis plusz zamata legyen a sztorinak a pireneusi juhászkutyákban jelen levő polidaktíliát (hat lábujjuk van az ebeknek) is hasonló okra tudták visszavezetni. Ezúttal az Alx4 transzkripciós faktorban leltek egy 51 bázispárnyi deléciót (amely semelyik más kutyafajtában nem volt jelen). Ennek okán valószínűleg az Alx4 működésképtelenné válik és nem tudja a célgénjeit aktiválni a fejlődő végtagbimbóban; az Alx4 mutáns allélját hordozó egerek is egy extra lábujj büszke tulajodnosai (3. Ábra).

3. Ábra: Az Alx-4 mutációja mind egerekben, min pireneusi juhászkutyákban többujjúságot (polidaktíliát) okoz. [2]
[1] Parker HG, Kim LV, Sutter NB, Carlson S, Lorentzen TD, Malek TB, Johnson GS, DeFrance HB, Ostrander EA, Kruglyak L. (2004) Genetic structure of the purebred domestic dog. Science 304:1160-1164.
[2] Fondon JW 3rd, Garner HR. (2004) Molecular origins of rapid and continuous morphological evolution. Proc Natl Acad Sci USA 101(52):18058-63. Epub 2004 Dec 13.

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. december 5., hétfő

"This isn’t really, and never has been, a debate about science."

dolphin | 3:26 | EvoDevo Áltudományok

A Natural History Magazine aktuális száma zanzásított ID vs. evolúció vitát közöl a téma prominenseinek tollából: Michael Behe vs. Ken Miller, William Dembski vs. Robert Pennock és Jonathan Wells vs. Eugenie Scott adok-kapok, valamint Barbara Forrest írása szerepel a lapban.
Emellett az aktuális Darwin kiállítás apropóján Richard Dawkins, Sean Carroll és mások esszéi (vagy azok részei) is olvashatók ugyanott.

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. november 30., szerda

Kis kuzinunk, a Platynereis

dolphin | 5:34 | EvoDevo

A kétoldali szimmetriájú állatok két nagy csoportra oszlanak, aszerint, hogy az ősbélüreg (archenteron) nyílásából a szájnyílás vagy a végbélnyílás alakul ki. Az előbbi csoportot Protostomiának (ez többé kevésbé megegyezik az "ősszájúak" fogalmával), míg utóbbit Deuterostomiának ("újszájúak") nevezzük. (Van itt a levegőben néhány örökérvényű poén, hogy a két csoport kölcsönösen minek tarthatja egymást, de most inkább nem lőném le őket... ;-)) Az eddigi genomprojectek adatainak egyik érdekes hozadéka, hogy a Protostomia csoportba tartozó rovarok (Drosophila, háziméh) és fonalférgek (C. elegans) genomja kompaktabb és kevesebb intront tartalmaz mint a Deuterostomia csoporthoz tartozó a gerinces genomok. (Az intronok olyan, fehérjét nem kódoló szekvenciák, melyek a genomi DNS-ben a kódoló szekvenciák (exonok) közé ékelődve vannak jelen, azonban az mRNS transzkripciója közben kivágódnak a végső "termékből", így a fehérje szintézis helyszínére már csak a kódoló szekvenica kerül.) Erre két magyarázat létezhet: a valamikori közös ősben (Urbilateria) kevés intron volt és a gerincesek vonala szedett össze újakat, vagy a közös ősben sok intron volt, de a rovarok valahogy elvesztették őket.
1. Ábra: A Platynereis intronjainak helyét összevetve más állatok intronjaival, a legnagyobb megegyezést a gerincesekkel találjuk (A). Hasonlóan, az emberi intronok helyzetét összevetve más állatokéval a Platynereis genomja kiugróan magas hasonlóságot mutat a Protostomia csoportban (B). (A szürke nyilakhoz tartozó csoportnevek hasonlósági értékei azért magasabbak mint a csoport egyes tagjaiéi, mert a csoportban fellelhető összes intront ábrázolják - vagyis durván extrapolálnak a közös ős genomjára.)
Az aktuális Science egyik cikke a vitát az utóbbi magyarázat javára látszik eldönteni [1]. Egy tengeri gyűrűsféreg, a Platynereis dumerilii exon-intron szerkezetét vizsgálva kiderült, hogy bár a Protostomia csoporthoz tartozik, az intronok géneken belüli helyzete és átlagos száma (7.8) sokkal közelebb van a gerincesekéhez (8.4), mint a Protostomián belüli Ecdysozoa csoportban levő rovarokéhoz és fonalférgekéhez (2.4-5.4). (1. Ábra) Gyorsan megjegyezném, hogy ez nem azt jelenti, hogy az eddigi filogenetikai fák fabatkát sem érnek. Ezeket az orthológ szekvenciák összehasonlítása alapján készítették és igen megbízhatók. Itt mindössze intronok helyéről van szó és nem a szekvenciájukról. Így a Platynereis megmarad ősszájúnak, mégha az ebből a csoportból vizsgált fajok közül filogenetikailag is ő áll hozzánk a legközelebb.

A cikkből levonható legfontosabb következtetés az, hogy a közös ősnek, az Urbilateriának, minden valószínűségel a gerincesekéhez nagyon hasonló exon-intron szerkezete lehetett, s míg a rovarok evolúciója során a genom igen gyorsan változott és kompaktabb lett, addig ez bennünk és a tengeri gyűrűsférgekben ez nem következett be. Mi - ebből a szempotból - kicsit lassúak voltunk és ezért egy primitívebb állapotot tükrözünk ;-). A szerzők szavaival:
Platynereis and humans can be regarded as similarly slow-evolving representatives of protostomes and deuterostomes, respectively.
Az eredmény érdekes és természetesen kicsit meglepő, ugyanakkor nem teljesen váratlan, mert már voltak jelek a komplexebb, nagyobb genom ősibb jellegére- és a kompakt genomok későbbi kialakulására vonatkozóan. Az egyik ilyen jel, hogy bár a gerincesekben fellelhető Wnt fehérje 12 alcsaládjából 11 szintén megtalálható egy csalánozó fajban (a csalánozók - pl. hidrák - körkörös szimmetriájúak, vagyis a csalánozók és a kétoldali szimmetriájú állatok közös őse az Urbilateria előtt létezett), a Nematostella vectensis-ben, a rovarokban csak hat alcsalád lelhető fel, azaz néhány elvesztődött a hosszú évek alatt [2]. Ráadásul úgy tűnik, hogy a Drosophila olyannyira előrehaladt a nem létfontosságú DNS szekvenciák kiszűrésében, hogy minden ami a genomjában maradt az szigorú szelekció alatt van [3], és valójában szinte egyáltalán nincs fölösleges, ún. "szemét DNS-e" ("junk DNA"), ami a neutrális evolúció fontos játéktere és -szere lenne. Na, de erről majd valamikor máskor. ;-)

[1] Raible F, Tessmar-Raible K, Osoegawa K, Wincker P, Jubin C, Balavoine G, Ferrier D, Benes V, de Jong P, Weissenbach J, Bork P, Arendt D (2005) Vertebrate-type intron-rich genes in the marine annelid Platynereis dumerilii. Science 310: 1325-1326.
[2] Miller DJ, Ball EE, Technau U. (2005) Cnidarians and ancestral genetic complexity in the animal kingdom. Trends Genet. 21(10): 536-539.
[3] Andolfatto P. (2005) Adaptive evolution of non-coding DNA in Drosophila. Nature 437: 1149-1152.

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. november 26., szombat

I think

dolphin | 20:36 | EvoDevo

Mint arra a napokban Niles Eldredge, a pontozott egyensúly elméletének egyik atyja rámutatott a PLoS-Biology hasábjain, ha van a biológiának saját "éegyelőemcénégyzete", akkor az jó eséllyel a Darwin által rajzolt első evolúciós fa lehetne.

Ez és hasonló finomságok kerültek kiállitásra az AMNH Darwin születésének kétszázadik évfordulójára rendezett kiállitásán. Ma, amikor elsősorban "molekuláris evolúcióról" beszélünk és szinte minden, a témához kapcsolódó előadásban DNS szekvenciák tömkelegét lebegtetik át a nézők szeme előtt, különösen érdekes megnézi, hogy hogyan is kezdődött az egész. A kiállitás Darwin személyes holmijain túl kéziratainak (és a hozzá közelállók neki cimzett leveleinek) egyik legteljesebb gyűjteményét vonultatja fel (amit a Cambridge egyetem "Darwin papers" projectjével együtt próbálnak digitalizálni), s ezek révén nyomon követhetjük Darwin gondolkodásának állomásait, hogyan lesz a fiatal teológusból az evolúció elméletének agnosztikus megteremtője (és hogyan befolyásolta vallásos nézeteit kislánya korai halálának személyes tragédiája). Egy biológus számára talán a legérdekesebbek az ún. "transzmutációs jegyetfüzetek" (Darwin a Fajok eredetének csak sokadik kiadásában használta először az "evolúció" szót, egészen addig a "transzmutáció" volt a bűvös betűkombináció) amelyek lapjain fokozatosan alakul ki az új gondolatvilág.
De ez az új gondolatvilág nem teljesen váratlan és előzmény nélküli. Darwin nagyapja, a liberális gondolkozású Erasmus Darwin már maga is hitt egyfajta korai evolúciós elméletben s ez nyilván hatással lehetett unokája világképére. Emellett, mint azt Frank Sulloway hangsúlyozza a Smithonian magazin ehavi számában, Darwint kortársai, John Gould és Joseph Hooker segitették hatalmas gyűjteményének pontos kategorizálásában (Darwin az elején a pintyfajait - melyek származásának pontos meghatározásához FitzRoy kapitány segitségét kellett igénybe vennie, ugyanis saját jegyzetei nem voltak elég pontosak - csak ugyanazon faj variációinak tartotta, a kor kreacionista gondolkodásának megfelelően).
Mindezek mellett két fontos dolog sugalmazódik a kiállitás által: egyrészt a ma méltatlanul kevésszer emlegetett biogeográfiai bizonyitékok kiemelkedően fontos szerepe az evolúciós gondolkodásmód kialakulásában, illetve az, hogy a "természetes szelekció" elméletéhez Darwin sokat meritett Thomas Malthus, angol politikai közgazdász, az erőforrások körüli emberi kompeticióról szóló nézeteiből.

De szintén érdekesek a személyesebb vonatkozású irományok, például Darwin reakciója Alfred Wallace váratlan levelére (amelyben az Indonéziában tartókodó ifjú naturalista gyakorlatilag a Darwinéval teljesen megegyező elméletet vázol fel), vagy amelyek a házassághoz és "minden példányok legérdekesebbéhez", feleségéhez kezdetben fűződő, mai szemmel igencsak groteszk viszonyát tükrözik. Vagy éppen azok, melyekből kiderül, hogy milyen kevésen múlt, hogy ma az evolúció kapcsán a galapagosi pintyekről beszélünk a szigetek poszáta fajai helyett ;-).

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. november 23., szerda

És miért olyan nagy a szád?

dolphin | 6:20 | EvoDevo

Mint arra a legelső blogbejegyzésben utaltam, az élőlények alakjaiban bekövetkező változások általában egyes gének felhasználási helyének és idejének változására vezethetők vissza, s ezen változások képezik az evolúció egyik hajtóerejét. Az ilyen típusú változásokat (értelemszerűen) leginkább olyan rokon fajokkal lehet szemléltetni melyek evolúciós időskálán mérve a közelmúltban váltak el, és ha ezen rokon fajok nagyfokú adaptív radiáció (igen különböző ökológiai életterekhez, ún. nichekhez való alkalmazkodás) folytán jöttek létre az érv általában még meggyőzőbb erejű.

1. Ábra A bölcsőszájú halak adaptív radiációjának legfontosabb lépései (először élőhelyhez, majd táplálékforráshoz való alklamazkodás, végül szexuális szelekció). [1]

A fenti állítás szemléltetésére talán az egyik legtriviálisabb példa a bölcsőszájú halak esete. Kelet-Afrika Nagy Tavaiban (Tanganyika, Viktória, Malawi) mintegy 400 bölcsőszájú halfaj él, melyek egy közös ősből alakultak ki cirka 700.000 év leforgása alatt. Feltehetőleg három nagy adaptációs "robbanás" játszott szerepet a fajok kialakulásában (1. ábra). Először az élőhely alapján két csoport különült el: a homokos aljzat közelében illetve a sziklás környezetben lakók, majd utóbbiak a táplálkozási szokásuk alapján tovább specializálódtak szilárd tápanyagot rágcsálókra illetve lebegő tápanyagot fogyasztókra. Végül szexuális szelekció során jöttek létre a különböző színes mintázatok [1].
2. Ábra A M. zebra karcsúbb állkapcsának kialakulása összefügg azzal, hogy bmp4 mRNS csak az első kopoltyúív végében található, ellentétben a L. fuellerbonival, ahol a masszív állkapocs az egész kopoltyúívben jelenlevő bmp4-el társul (készült [2] alapján).

Egy közelmúltban megjelent tanulmány [2] a második alkalmazkodási kör okait vizsgálja. Ehhez két különböző táplálkozási szokású halfajt hasonlítottak össze, ezek a Labeotropheus fuelleborni (LF) ill. Metriaclima zebra (MZ). Elöbbinek a sziklákon levő algák rágcsálásához alkalmazkodott rövid, de robusztus alsó állkapcsa van, míg utóbbinak karcsúbb és hosszabb az említett testrésze (minthogy a szóbanforgó hal mindenevő, ez nem meglepő). A két fajt keresztezve és a lérejövő ún. F1, illetve az ennek a keresztezéséből származó F2 nemzedék egyedeit vizsgálva lehetőség nyílt annak a meghatározására, hogy melyik kromoszómán vannak az állkapocs méretét/alakját befolyásoló gének. Ez a meghatározás azért lehetséges, mert az utódok nyilvánvalóan nem teljesen egyformák, sem genetikailag, sem külalakjukat tekintve, így kapcsolatot lehet találni bizonyos kromoszómális genetikai markerek és az állkapocs egyes jellegzetes paraméterei között. (Egy fontos megjegyzés: az igazán szemfülesek biztos kiszúrták, hogy két faj keresztezéséről beszélek, ami az állatoknál alkalmazott faj definíció értelmében max. steril utódokat hozhatna létre, így F2 szóba sem jöhet. A helyzet az, hogy a faj definíciója egy mesterséges kategória, és bár általában igaz, nem feltétlenül alkalmazható mindig. Jelen esetben a két faj között a különböző színezet miatt a természetben létezik egyfajta szexuális izoláció, de azért annyira (még) nem különböznek egymástól, hogy ne hozzanak létre életképes hibrideket.) A vizsgálat egyik érdekes eredménye, hogy bizonyos tulajdonságok együtt változnak: az állkapocs hossza, illetve magassága (ínyencek kedvéért: a coronalis processus mérete) között negatív összefüggés van (azaz minnél rövidebb az állkapocs, annál magassabb egyben). A másik pedig, hogy ezek a tulajdonságok (egyebek mellett) a bone morphogenetic protein 4 (bmp4) nevű génhez kapcsolódnak.

A bmp4, mint neve is mutatja, azon faktorok osztályába tartozik, amelyek a csontfejlődésben is szerepet játszanak (még rengeteg más szerepük is van, de a téma szempontjából ez a legfontosabb). Egyebek mellett egyes arccsontokban is expresszálódik, ami érthető módon itt külön érdekessé teszi. Ezek után már nem is annyira neglepő, hogy a vizsgálat tárgyát képező két halfajban jelentősen különbözik a bmp4 átíródásának helye és mértéke. Míg MZ egyedekben az első kopoltyúív (ez hozza létre az alsó állkapcsot) végére korlátozódik a jelenléte, addig a robusztusabb állkapcsú LF halakban az egész kopoltyúívet kitölti (2. Ábra). Eddig szép és jó a dolog, de, hogy kerek legyen a történet okozati összefüggést kell kimutatni a bmp4 expresszió változás és az állkapocs alakja között. Ehhez a jól bejáratott "kísérleti nyulat", a zebrahalat használták: mesterségesen megnövelve a Bmp4 szintet a halak állkapcsa sokkal robusztusabb lett. (A történet ott sántít egy kicsit, hogy ez a robusztusabb forma nem járt együtt az állkapocs hosszának csökkenésével, ennek egyik valószínű oka lehet, hogy a Bmp4 mennyiségét az összes szövetben megemelték és nemcsak az első kopoltyúívben.
3. Ábra A különböző Geospiza fajok csőralakja összefügg a bmp4 expresszió szintjével. [3]

És ha már Bmp4 valamint adaptív radiáció, akkor nem mehetünk el a legklasszikusabb példa mellett: Darwin pintyeinek csőrformája.
Ha az evolúcióval kapcsolatban másra nem is igen, de arra majdnem mindenki emlékezni fog, hogy Darwint a Galapagos szigetken elő pintyek (Geospiza fajok) sokfélesége is megihlette elmélete kidolgozásakor. A szigetcsoporthoz tartozó földdarabokon közös őstől származó, de igen változatos életformákhoz alkalmazkodott pintyek éledegélnek és a ez az alkalmazkodás legjobban talán csőrük alakjában nyilvánul meg. A csőrök formagazdagsága mögötti embriológiai okokat keresve egy harvardi csoport végignyálazta azokat a növekedési faktorokat, amelyekről tudott, hogy szerepük van a madár arckoponya kialakulásában. Véletlen vagy sem, de épp a bmp4 volt az amelyik változott a különböző fajok között (3. Ábra), mégpedig úgy, hogy a szélesebb csőrrel rendelkező madarak csőr mesenchymájában megnőtt a szintje [3]. Az okozati összefüggést természetesen itt is vizsgálták és csirkeembriók csőrkezdeményében növelték meg mesterségesen a Bmp4 vagy a Noggin (egy Bmp antagonista) szintet, ami a várt eredményt hozta: előbbi esetben a csőr mérete megnőtt, míg utóbbiban lecsökkent.
Nem teljesen világos, hogy pontosan milyen változásokat okoz a bmp4 expressziós szintjének megemelkedése, de feltehetőleg a sejtek osztódását segíti elő és így növeli a méretet, legalább is erre utal a csirke- és kacsacsőr összevetése [4].

A galapagosi pintyek történetének egyik legszebb mozzanata, hogy nemcsak az evolúció ihletői voltak, de ma is talán az egyik legjobb szemléltetői. Peter és Rosemary Grant, a Princeton egyetem két kutatója hosszú évtizedek óta vizsgálja ezeket a kis madarakat. Ennyi idő alatt szárazabb és nedvesebb periódusok követték egymást a szigeteken, és a pintyek test- valamint csőr mérete ezek függvényében változott. Az 1977-es szárazságot követően a szigeteken csak nagy és kemény magok fordultak elő, aki ezeket nem tudta fogyasztani az éhenhalt. Ennek megfelelően az egyik vizsgált pintyfaj (G. fortis) populációinak csőrmérete módosult és robusztusabb lett, alkalmasabb a kemény magok feltörésére. Néhány évvel később azonban a kedvező esők miatt sok apró mag és kevesebb nagyobb volt fellelhető a szigeteken. Ekkor az előbbiek fogyasztására alkalmasabb kisebb csőr jelentette az evolúciós előnyt. Talán mondanom sem kell, hogy a ezekben az években milyen irányban változott a pintypopuláció csőrmérete [5]... ;-))

[1] Danley PD, Kocher TD (2001) Speciation in rapidly diverging systems: lessons from Lake Malawi. Molecular Ecology 10(5): 1075-1086.
[2] Albertson RC, Streelman JT, Kocher TD, Yelick PC (2005) Integration and evolution of the cichlid mandible: The molecular basis of alternate feeding strategies. Proc.Nat.Acad.Sci. USA 102(45): 16287-16292.
[3] Abzhanov A, Protas M, Grant BR, Grant PR, Tabin CJ. Bmp4 and morphological variation of beaks in Darwin's finches. Science 305: 1462-1465.
[4] Wu P, Jiang TX, Suksaweang S, Widelitz RB, Chuong CM. Molecular shaping of the beak. Science 305: 1465-1466.
[5] Grant PR, Grant BR. (2002) Unpredictable evolution in a 30-year study of Darwin's finches. Science; 296: 707-711.

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. november 22., kedd

Elmérgesedők

dolphin | 21:05 | EvoDevo

Az egyik legismertebb amerikai tudományos újságíró, Carl Zimmer ír a blogjában az ausztrál Brian G. Fry legutóbbi kutatásáról, ami múlt héten került fel a Nature honlapjára [1]. Fry különböző hüllők mérgeit tanulmányozza és ez alapján jutott a felismerésre, hogy a méreg kiválasztás a kígyók megjelenése elött meglévő hüllő-tulajdonság, amely ennek megfelelően a kígyók testvér csoportjaiban is jelen van (mint azt a mellékelt ábra is mutatja). (A kígyók mérgek területén mutatott kreativitása azonban így sem lebecsülendő, hiszen a Serpentes ág kb. 17 máshol nem található méregfajta büszke tulajdonosának mondhatja magát.)

Amiért még szintén érdemes a fenti ábrán egy kicsit elmélázni, az az, hogy a Varanidae csoportba beletartoznak a komodói sárkányok. A népi (és nemcsak) bölcsesség márpedig azt tartotta ezekről, hogy harapásuk azért veszélyes, mert erős bakteriális fertőzést okoz, ami halálos lehet. (Nem tudom kiűzni a fejemből Koestler "A vakvéletlen gyökerei"-t, mert épp szombaton az American Museum of Natural History (AMNH) hüllő termében levő kitömött óriásgyíkok előtt elmélkedtünk kineto kollegával arról, hogy egy ilyen megharap és jön a szepszis... ;-)) Mint az Aetiology bloggere rámutat, a cikk alapján nem ilyen egyértelmű a helyzet, hiszen a varánuszoknak is van mérge. S valóban, Fry a cikkben maga is utal rá, hogy a komodói sárkány harapása perceken eblül hasító fájdalmat, erős duzzadást, véralvadásbeli zavarokat és szédülést okoz, amelyek nem bakteriális fertőzésre (ennyi idő arra nem is elég), hanem aktív méregre utalnak.

[1] Fry BG, Vidal N, Norman JA, Vonk FJ, Scheib H, Ramjan SF, Kuruppu S, Fung K, Blair Hedges S, Richardson MK, Hodgson WC, Ignjatovic V, Summerhayes R, Kochva E. (2005) Early evolution of the venom system in lizards and snakes. Nature 2005 Nov 16; [Epub ahead of print]

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. november 4., péntek

Hüvelyesek

dolphin | 2:36 | EvoDevo

PZ Myers a Pharyngulán egy közérdeklődésre számot tartó kérdést feszeget: mi lehet az emlős hüvely evolúciós eredete....

Na, ehhez szólj hozzá (0)

2005. október 31., hétfő

„Kígyónak lábsó...” - Csökevény szervek 1.

dolphin | 5:37 | EvoDevo Evolúció Fosszíliák

Hogy már rögtön az egész blog legelején lelőjem a legnagyobb evolúciós közhelyet: Theodosius Dobzhansky, minden idők egyik legnagyobb evolúcióbiológusának szavaival élve: ”A biológiában semminek nincs értelme, kivéve ha az evolúció fényében nézzük.” Közhely, de nagyon igaz, főleg napjainkban, amikor a fejlődésbiológia, evolúcióbiológia és genetika összefonódásából egy új tudományág, az ún. EvoDevo van születőben.

A darwini alapgondolat a közös őstől való leszármazás, azaz minden ma létező élőlény eredete visszavezethető egyetlen régen élt ősi organizmushoz (ez az, amit a szakirodalom Universal Common Ancestor – UCA néven ismer). Ebből az ősi, primitív szervezetből jött létre a ma ismert élővilág sokfélesége a természetes szelekció viszonylag egyszerű logikája alapján. Ezen elegáns gondolatmenet egyik alapkövét Karl Ernst von Baer, német embriológus törvényei képezték, amelyek (durva közelítésben) azt fogalmazták meg, hogy az egyedfejlődés során az általános jegyek hamarabb, míg a specifikus jellegzetességek később jelennek meg (azaz minél közelebb álló fajokat vizsgálunk, annál tovább hasonló az embrionális fejlődésük). Továbbgondolva, ebből az is világosan következik, hogy a különböző fajok közötti különbségek legelőször az egyedfejlődés valamelyik szakaszában jelennek meg. Vagyis ha meg akarjuk érteni az evolúciót akkor érdemes beleásnunk magunkat a fejlődésbiológiába (és természetesen vice versa). Sean B. Carroll, az evodevo-s társaság egyik vezéralakja legutóbbi könyvének (”Endless Forms Most Beautiful”) előszavában megpróbálja zanzásítani az új terület esszenciáját, több-kevesebb sikerrel: „A formák közötti különbségek az egyes gének felhasználási helyét és idejét befolyásoló evolúciós változásokból erednek, különös tekintettel azokra a génekre, amelyek bizonyos struktúrák számát, alakját vagy méretét befolyásolják.” Nnna, egész tömören tehát valami ilyesminek a vizsgálatával foglalkozik az EvoDevo. Hogy a meghatározás mögött mi rejlik, azt majd a blog keretén belül igyekszem/-szünk górcső alá venni.

Az evolúciós elmélet fontos következménye, hogy a természet hozott anyagból dolgozik, azaz már létező élőlények adaptálódnak új körülményekhez. Ez számos esetben azzal jár, hogy olyan szervek, amelyek valamelyik ős számára létfontosságúak voltak, hirtelen feleslegessé válnak, s ezért lassan elsatnyulnak, elcsökevényesednek. Az darwini gondolat ezen ütős bizonyítékait nevezzük csökevény (vagy vesztigiális) szerveknek, s ez a kis sorozat néhány jellegzetesebb (és érdekesebb) bemutatásával fogja az időt pocsékolni.

Mint a címben diszkréten próbáltam rá utalni, ebben az első részben a kígyók (hiányzó) lábáról lesz szó, hogy hova tűnt el és miért.

1. Ábra: A mellső- és hátsó végtagok kialakulását befolyásoló transzkripciós faktorok (forrás: [2]).

Ha a kígyók rendszertani besorolását nézzük, akkor elég egyértelmű, hogy hüllőként a gerincesek Tetrapoda (azaz „Négylábúak”) csoportjához tartoznak. Azonban az is egyértelmű, hogy nincs négy lábuk. A kérdés adott: miért?, ám hogy megértsük, ahhoz először egy végtagkialakulás-gyorstalpalón kell átesnünk. Az egyes végtagok pozícióját a gerincesek testének hosszanti felosztásában kulcsszerepet játszó homeobox (hox) gének kombinációja határozza meg (kisebb betű+szám kombináció előrébb található, míg nagyobb betű+szám hátsóbb expressziós területet jelöl). Például a mellső végtagok a hoxc6 gén expressziós területének kezdete előtt találhatók (lásd 2. ábra). A végtagkialakulás pozíciójában a hámréteg (epidermisz) alatt mezodermális sejtek gyűlnek össze és az ezek által termelt növekedési faktor (FGF10) váltja ki az epidermisz és az alatta található szövetek közötti interakciót. Ennek következményeként specifikus transzkripciós faktorok lépnek működésbe az első és a hátsó végtag leendő pozíciójában (Tbx5 a mellső végtagok esetén, illetve Tbx4 és Pitx1 a hátsó végtagokban (lásd 1. ábra) [1,2]) melyek elindítják a „végtagbimbók” (limb buds) növekedését. Ezekben a végtag-kezdeményekben további bonyolult felosztási folyamatok játszódnak le (ezekről majd valamikor később – talán – lesz szó bővebben), de a legfontosabb, hogy hátsó részükön kialakul az úgynevezett polarizáló aktivitás zónája (zone of polarizing activity – ZPA), amely koordinálni fogja ezt a felosztást az általa termelt sonic-hedgehog (shh) nevű molekula révén.

Na, akkor ennyi fejtágítás után lássuk, hogy mi is történik (pontosabban nem történik) a kígyók embrionális fejlődése során.

2. Ábra: A kígyókban egyes hox gének expressziós tartománya megváltozott. (forrás: [3])

Az első (témánk számára) fontos változás, hogy néhány karakterisztikus hox gén expressziója megváltozott: a hoxb5, hoxc6 és hoxc8 szinte a test teljes hosszában kifejeződnek, különösen feltűnő, hogy expressziós tartományuk elülső határa a fejnél található (lásd 2. ábra). Ez kettős következménnyel jár: egyrészt megszűnik az elülső végtag kialakulásához szükséges pozicionális információ (mert nincs többé olyan, hogy „hoxc6 előtt” a gerincoszlop mentén), másrészt, mivel ezen hox gének kombinációja (más gerincesekben is) háti identitást eredményez, nyilvánvaló, hogy a nyaki csigolyák hátivá váltak, valamint a kígyók megnyúlt teste leginkább egy hosszú hátnak tekinthető [4]. Mellső végtag (hiánya): kipipálva.
A hátsó végtag egy kicsit bonyolultabb történet. Bonyolultabb, mert e tekintetben kígyó és kígyó között is akad különbség. Míg a rendszertani besorolásukat tekintve a Boidae alcsaládba tartozó boák és pythonok esetében felfedezhetünk hátsó végtag maradványokat, addig más kígyók esetében már ilyesmivel sem találkozunk.

3.Ábra: A 95 millió éve élt Haasiophis terrasanctusnak jól felismerhető hátsó lába volt. (forrás: [5])

Ez minden valószínűség szerint a Boidae alcsalád ősiségét bizonyítja, hiszen a fosszilis anyagban fellelhetünk olyan kígyócsontvázakat, amelyeknek bár csökevényes, de jól felismerhető hátsó- (és csak hátsó!) végtagja van. Ilyen például a kb. 95 millió éves Haasiophis terrasanctus (3. ábra) amelyet sokan egy átmeneti láncszemnek tekintenek a kígyók négylábú, gyíkszerű őse és a mai kígyók között [5]. (Ugyanakkor itt illendő hangsúlyozni, hogy tudásunk még elég hiányos kígyó fosszíliák terén, így nem egyértelmű, hogy a Haasiophis valóban a boák ősének tekinthető-e, sőt az sem kizárt, hogy a hátsó láb elvesztése többször, egymástól függetlenül következett be az idők során a kígyók családjában.) A boák embrionális fejlődése során a hátsóvégtag-„bimbó” ugyan megjelenik a testfalon, azonban valamiért mégsem hoz létre teljes értékű végtagot. Hogy miért nem arra a génexpressziós vizsgálatok adtak magyarázatot: valamiért (és ez még pontosan nem tisztázott) a shh gén nem kapcsolódik be az alakuló hátsó végtag ZPA területén. Ennek következtében természetesen az általa irányított folyamatok sem kezdődnek el, ergo a boáknak nem lesz rendes lába. S ami még érdekesebbé teszi ezt, az az, hogy a jelek szerint a végtag-”bimbó” megfelelő jelek esetén képes lenne létrehozni egy végtagot, mert amennyiben csirkeembrióba átültetik a kígyó végtagkezdeményét az működőképes lesz és szerepet játszik a végtag kialakításában. Ezzel tömören le is rendeztük a boák hátsó lábát, de mi a helyzet a többi kígyó esetén? A válasz kicsit kiábrándító: még nem tudjuk (az evodevo sajnos nem az a terület, ahova sok K+F pénz folyik, így viszonylag kevés kísérletre van lehetőség, azok viszont nagyot szólhatnak ;-)). Csak találgatni tudunk, de mivel egyáltalán nincs hátsóvégtag-kezdemény, sokan azt valószínűsítik, hogy szintén a Hox-kód változása lehet a dologban. Remélhetőleg valaki előbb-utóbb a dolog végére jár, akárcsak annak, hogy hasonló változások vezettek a lábatlan gyíkok végtagjainak eltűnéséhez, vagy netán a végtagkialakulási folyamat más pontjain következtek be változások.

[1] Minguillon, C., Del Buono, J. and Logan, M.P. (2005) Tbx5 and Tbx4 are not sufficient to determine limb-specific morphologies but have common roles in initiating limb outgrowth. Developmental Cell 8(1):75-84.
[2] Graham, A. and McGonnell. I. (1999) Limb development: Farewell to arms. Current Biology 9(10):R368-370.
[3] Graham, A. and McGonnell. I. (1999) Developmental evolution: This side of paradise. Current Biology 9(17):R630-632.
[4] Cohn, M. J. and Tickle, C. (1999) Developmental basis of limblessness and axial regionalization in snakes. Nature 399: 474-479.
[5] Tchernov, E., Rieppel, O., Zaher, H., Polcyn, M.J. and Jacobs, L.L. (2000) A fossil snake with limbs. Science 287(5460): 2010-2012.