2010. július 23., péntek

Sziláscetek fogairól

Jerry Coyne blogjában bukkantam erre a minden szempontból szuper képre, ami valahogy elkerülte még anno a figyelmemet, amikor a pszeudogének apropóján a szóbanforgó cikkről (is) írtam.

Fogai szinte minden emlősnek vannak és azon fajoknál, ahol mégsincs ez így, jól körülhatárolható viselkedésbeli változások okozták az elvesztésüket. Az egyik ilyen csoport a szilásceteké, ahol a hagyományos táplálkozási formákat specializált planktonevés váltotta fel. Viszont a bálnák őse maga is egy szárazföldi ragadozó volt (és  a fogak jelenléte könnyen kiszúrható egyéb cetfajoknál), aminek a nyomát nemcsak a fogzománc pszeudogének jelenléte bizonyítja, de a bálnák embrionális fejlődése is.

Mint azt a fenti ábra jól mutatja, a barázdásbálnák embrionális fejlődése során a felső állkapocsban megjelennek a fogfejlődés kezdeti szakaszát jelentő fogcsírák/fogbimbók - a kis rózsaszín pöttyök a felső állkapocsban-, de ezek később nem hoznak létre funkcionális fogakat, hanem elsorvadnak (akárcsak a cetek hátsó végtagbimbói). (A fogcsírák ebben a kontextusban klasszikus csökevény szervek, amelyek jelenléte egyedül evolúciós kontextusban magyarázható.)

Korábban madarak esetében is sikerült bizonyítani, hogy a fogkeletkezés potenciálja még jelen van (ami szintén nem meglepő, a ragadozó hüllő-ősöket tekintve), de ott csak kísérletes úton lehetett közvetett bizonyítékot szerezni, ennyire szép, közvetlen bizonyíték nem volt.

---

Deméré TA, McGowen MR, Berta A, Gatesy J (2008) Morphological and molecular evidence for a stepwise evolutionary transition from teeth to baleen in mysticete whales. Syst Biol 57(1): 15-37.

2009. december 12., szombat

Kilóg a kígyóláb - 2.

Amikor egyes kígyók elcsökevényesedett hátsó végtagjairól (ill. azok kialakulásáról) esik szó, mindig szívesen felidézem, hogy a kezdet-kezdetén, a blog indulásakor erről szólt a legelső poszt. Nem véletlenül persze, hiszen kevés izgalmasabb téma van egy fejlődésbiológus számára, mint a csökevényszervek, az élőlények közös leszármazásának legszebb bizonyítékai.

Hasonlóan a cetek hátsó végtagjainak történetéhez, a kígyók esetében is elkezd kialakulni a végtagbimbó (A,B), csak később valami miatt nem marad meg. Eltűnik a fejlődő embrióban és vele együtt annak az esélye is, hogy kialakuljanak a végtagok. (Bár boák esetében egész csökevényesen megmaradnak, és a rendelkezésünkre álló fosszíliák, ill. genomi szakaszok segítségével rekonstruálható, hogy miként és feltehetően miért tűntek el a hátsó vegtagok.)

Mint minden csökevény szervnél, a kígyóknál is belefutunk időnként atavizmusokba, amelyek kicsi, de jól felismerhető lábakat eredményeznek (C), akárcsak a három éve Japán partjainál kifogott delfin esetében.

Az atavizmusok mértéke persze különböző lehet, de az idén szeptemberben Kínában felfedezett jószág mindenképpen valami rekorder lehet. Mint látható egy szinte teljesen komplett hátsó végtag lóg ki a jószágból. És mivel a kép önmagéárt beszél, én itt kb. be is fejezném...

---

Boughner JC, Buchtová M, Fu K, Diewert V, Hallgrímsson B, Richman JM. (2007) Embryonic development of Python sebae - I: Staging criteria and macroscopic skeletal morphogenesis of the head and limbs. Zoology (Jena) 110(3): 212-230.

2007. február 14., szerda

Szemtelenek - a mexikói barlangi vaklazac

Az evolúciót legjobban szemléltető fajokról alkotott szubjektív toplistámom, a galapagosi pintyek, a tüskés pikó és a nyírfaaraszoló lepkék mellett igen előkellő helyet foglal el egy mexikói lazacfaj is, az Astyanax mexicanus. (Kicsit offtopic kitérő: a nyírfaaraszolóról lehet elvétve olyan pletykákat hallani kreacionista berkekből, hogy valójában nem is szemléltetik jól az evolúciót, de nem kell felülni nekik: mint annyi másban, ebben is tévednek.)

Az Astyanax-nak alapvetően két populációja ismert: egyik a felszíni tavakban él és teljesen hétköznap kinézetű (ez "surface fish" néven szerepel majd az ábrákon), a másik pedig a Yucatán félszigetet alkotó mészkőben képződött barlangok tavaiban lakik, teste pigmentszegény és első pillantásra úgy tűnik, hogy teljesen vak, hiszen egyáltalán nincs is szeme ("cavefish").

Az első látás azonban picit (de nem nagyon) csalóka. Ugyanis bár ezek a halak funkcionálisan kétségtelenül vakok, a szemük azért kialakul a fejlődés során. Egy egészen fiatal, egynapos embrióban (lásd baloldalt) még egészen jól látható a szem, bár már látszik, hogy nincs minden rendben vele: kicsit kisebb, és az alsó (ventrális) része szinte teljesen hiányzik. Később azonban fokozatosan elsatnyul, s bár nem tűnik el teljesen, a fejlődő lárva más szövetei körbenövik.

A kérdés tehát adott: mind molekuláris, mind evolúciós-adaptációs szemszögből, miért nincs szeme a barlangban élő Astyanax-oknak? Bár a teljes választ még nem ismerjük, elég sok mindent tudunk arról, hogy sejtsük hol kell keresgélni. Ráadásul a kérdés megválaszolását kétségtelenül segíti mind az a tény, hogy számos más halfaj (pl. a zebrahal és a medaka) már bejáratott fejlődésbiológiai kísérleti "nyúl" (vagyis általában elég sokat tudunk a halak fejlődéséről), mind az a fontos tény - amit nem is hangsúlyoztam az elején -, hogy a felszíni és barlangi lazacpopulációk vidáman keresztezhetőek egymással (ez megkönnyíti a mutáció(k) beazonosítását).

Már az első kísérletek is azt sugallták, hogy a szem egészen korai embrionális fejlődésével nem stimmel valami. Amint arról minap írtam, a szemfejlődés egy fontos lépése, amikor a szemhólyag és a lencse-placod közti molekuláris összjáték eredményeképpen előbbiből kialakul a szemserleg, az utóbbi pedig szemlencseként lefűződik.

A barlangi Astyanax-ok szemlencséje azonban pusztuló sejtekből áll, éppen ezért nem tud megfelelő viszontjelzéseket adni a formálódó szemserlegnek, ezért marad az viszonylag satnya. De ha, egy felszíni halembrió lencse-placodját átültetjük rgy vele egykorú barlangi társába, akkor utóbbiban, az átültetés helyén ép és egészésges, működő szem alakul ki ("transplant side")! (A "control side" azt mutatja, hogy mi lesz, ha egy másik barlangi Astyanax lencséjét ültetik át - semmi.)

Hát ez egyszerű, gondolhatnánk, akkor tehát a szemlencse sejtjeivel van a baj. Na nem egészen. Az előbb is emlegetett molekuláris összjáték azt jelenti, hogy a lencse félrefejlődéséért, akár a szemhólyag is felelős lehet (ha nem küld megfelelő jeleket, a lencse sem fejlődik normálisan). És valóban, a jelek azt mutatják, hogy itt van a kutya elásva. Ugyanis a kétfele osztódott szemmező (lásd ismét a gerinces szemfejlődés postot) két, pax6 által jelölt oldala kisebb a barlangi lazacokban, mint a felszíniekben (E,F). A különbség nem tűnik drámainak, de, mint azt mindjárt látni fogjuk, ahhoz éppen elég, hogy a szóbanforgó változás oka legyen.

A szemmező változása a középvonal, pontosabban az ebben levő shh expressziós terület kiszélesedése miatt következik be (A, B). Ismétlem, a különbség mindössze néhány sejtben mérhető: amíg a felszíni halakban kb. 6 sejtsor vastagságú a középvonal Shh⁺ területe, addig a barlangi populációkban 10 sejtsorról van szó.

Lehetséges-e, hogy ez a minimális különbség okozza az elég drasztikus különbséget a felnőtt halak között? Ennek eldöntésére egy kis extra Shh-t jutattak felszíni Astyanax-ok embriójának egyik oldalába. Az eredmény magért beszél: már az egynapos embrióknak is lényegesen kisebb a szeme a "kezelés" oldalán (H), a felnőtt halakban, pedig nagyon hasonlóan a barlangi rokonokhoz, a bőr benövi a szemet, azaz a szóbanforgó oldalon a halak kvázi vakok lesznek (J).

Bár a mutációt még konkrétan nem sikerült kiszúrni, a legtöbben valamilyen szabályozó régió megváltozására fogadnak. (A legtöbb fejlődésben fontos gén nagyon sok helyen hat az embriogenezis során, éppen ezért valószínű, hogy egy ilyen kicsi és lokalizált változás nem egy gén teljes működésképtelenségére vezethető vissza.) A legérdekesebb az egészben az, hogy az eddigi genetikai vizsgálatok azt mutatják, hogy a bár ez az Astyanax faj legalább öt külön vonalon vált vakká (magyarán minimum öt olyan barlangi populáció ismert, amelyek különböző mutációk miatt jöttek létre), a shh kifejeződés erősödése, ill. a lencse elpusztulása minden esetben bekövetkezett.

És ezzel elértünk a szakmai berkekben sokáig legvitatottabb kérdéshez: mi az evolúciós oka a szem hiányának? Egyrészt elképzelhető, hogy a szemfejlődésben bekövetkezett malőr annak tudható be, hogy a hal amúgy sem használta a látószervét, így a szem kialakulásában fontos gének (szabályozó szekvenciái) szabadon elromolhattak, hiszen természetes szelekció nem szűrte ki a megvakult példányokat, és azok később valahogy elterjedtek (ez a "neutrális mutáció" elmélete). Másrészt az is egy lehetséges magyarázat, hogy azok a változások, amelyek a kvázi vakságot okozzák, egyben olyan más változásokhoz is vezetnek, amelyek kifejezetten előnyösek a hal számára (ez pedig az "adaptív evolúció" elmélete).

Jelen ismereteink alapján utóbbinak áll a zászló. Ugyanis nyilvánvaló, hogy a Shh expressziója nem elromlott, hanem éppen hogy túlságosan hatékony lett. Másrészt azok a gének, amelyek csak a szemfejlődésben szerepelnek (ilyenből is akad néhány), s így a neutrális mutációk legkézenfekvőbb célpontjai lehetnének, továbbra is működőképesek a vaklazacban és át is íródnak a fejbe besüllyedt, elsorvadt, más szövetek által körbenőtt szemben. A valószínűbb magyarázat az (és erre számos bizonyíték van), hogy a Shh expresszió megnövekedése egyben erősíti a szaglótevékenységet és egy robosztusabb álkapocsszerkezet kialakulását. Ezek pedig olyan tulajdonságok, amelyek nyilvánvalóan előnyösek lehetnek a barlangok sötétjében. És nota bene, egy elsötétített akváriumban a vaklazacok mindig sokkal hatékonyabbak a táplálékszerzésben, mint látó társaik.

(Ui.: A fejbe besüllyedt, amorf szem természetesen éppen olyan csökevény szerv, mint pl. az emberi farok, vagy a korábban tárgyalt más példák.)

---

Menuet, A, Alunni, A, Joly, JS, Jeffrey, WR, Rétaux, S (2007) Expanded expression of Sonic Hedgehog in Astyanax cavefish: multiple consequences on forebrain development and evolution. Development 134: 845-855.
Jeffrey, WR (2005) Adaptive evolution of eye degeneration in the mexican blind cavefish. J. Hered. 96(3): 185-196. doi: 10.1093/jhered/esi028
Yamamoto, Y, Stock, DW, Jeffrey, WR (2004) Hedgehog signalling controls eye degeneration in blind cavefish. Nature 431: 844-847.

2007. január 18., csütörtök

Az emberi farok - Csökevény szervek 4.

(Nem, nem ARRÓL lesz szó.) Az, hogy mi magunk, emberek is gerincesek vagyunk nem szokott vitaszámba venni. Pedig ha kötekedve végigzongorázzuk, melyek az általános gerinces tulajdonságok, akkor legalább egyen megakadhat a szemünk. Mert mi is a helyzet a posztanális (azaz fenék mögötti) farokkal?

Az emberek (kevés kivételtől eltekintve, de ezeket lásd majd a végén) ilyesmivel nem büszkélkedhetnek, és ennek megvan a maga evolúciós oka is. Mert míg egy fán élő emlős esetén egy jól fejlett farok segíthet a mászásban, minket már zavarna kétlábon járás közben. S mivel a gerincoszlop ezen szakaszában amúgy sem fut már a központi idegrendszer, nem volt szervi akadálya az elsatnyulásának sem. De az embrionális fejlődés során a farok elkezd kialakulni. Például ha egy 4-5 hetes humán embriót veszünk szemügyre, akkor annak (testmérethez mérten) éppen akkora farkincája lesz mint egy egér embriónak egy (az egér terhesség hosszához mért) hasonló időpontban. 2-3 héttel később azonban már nyoma sincs a faroknak. A "miértre" egyszerű a válasz: szövettani vizsgálatok szerint a fejlődés ezen szakaszában a farokban levő sejtek hirtelen nagyütemben pusztulni kezdenek. Ezért nem lesz aztán végül se farkunk, se különálló farokcsigolyáink (ezek összeolvadva hozzák létre az ún. farokcsontot).

Mármint, ha minden jól alakul. Ugyanis néhány esetben a fejlődés "visszalép" az evolúciós időben, és valamiért nem kapcsol be az a mechanizmus, amelyik révén a szóbanforgó farok-sejtek elpusztulnak. Ilyenkor olyan kisbabák születnek, akiknek nemcsak látható farkincája van, de abban csontok izmok és idegek is találhatók, így össze is tudják húzni váratlan testrészüket (számos esetben csak egy bőr és zsírkinövésről van szó - ilyen esetekben vitaható, mennyire tekinthető "faroknak" a szóbanforgó kinövés). Nem teljesen világos, milyen molekuláris okból történik mindez, de az egyik "gyanúsított" a Wnt3a nevű molekula. Azok az egerek, amelyekben ez a fehérje nem fejeződik ki a farokkezdeményben, farok nélkül jönnek a világra. Persze hogy valóban a Wnt3a kifejeződésében bekövetkező csökkenés okozta egy réges-régi ősünkben a "faroktalanodást" (illetve ugyanezen molekula koncentrációjának növekedése okozza ma az atavisztikus farkak megjelenését) az még felderítésre vár. Az azonban biztos, hogy az embrionális és atavisztikus farkak puszta léte fel képes villantani evolúciós múltunk egy apró filmkockáját.

---

Sapunar D, Vilovic K, England M, Saraga-Babic M. (2001) Morphological diversity of dying cells during regression of the human tail. Ann. Anat. 183: 217-222.
AnatomyAtlases.org | 29+ Evidences for Macroevolution

---

Előzmények:
„Kígyónak lábsó...” - Csökevény szervek 1. | Kilóg a kígyóláb
"... madaraknak fogsor" - Csökevény szervek 2. | Re: "...madaraknak fogsor"
Mikor a bálna a lábán jára - Csökevény szervek 3.

2006. október 11., szerda

Mikor a bálna a lábán jára - Csökevény szervek 3.

Egy-egy bálnacsontvázzal szembesülve az átlagember első (és gyakran egyetlen) gondolata, hogy "hát igen, ez valóban bazi nagy". Azonban a fizikai nagyság el- és felismerése mellett gyakran hajlamosak vagyunk elsuhanni az apróbb részletek mellett (persze néha kontár preparátorok is segítenek ebben).

Éppen egy masszív csontváz kapcsán beszélni "apró" részletekről, furcsának tűnhet (és valóban, minden relatív), de ez esetben mégsem inadekvát. Arról a két kisméretű csontról lesz itt ugyanis (javarészben) szó, amelyek a test két oldalán, a gerincoszlop alatt helyezkednek el a bálna hasában.

A két csont annyira jelentéktelennnek tűnik, hogy kevésbé figyelmes szemlélők gyakran észre sem veszik őket (és nota bene, a bálna mindennapjai szempontjából tényleg nem is bírnak jelentőséggel), pedig evolúciós szempontból egyáltalán nem érdektelenek: arról a korról tanúskodnak, amikor a mai bálnák ősei a szárazföldön jártak. A két csont ugyanis a bálnák medenceövének és hátsó végtagjának a maradéka.

A cetek különösen jól alkalmazkodtak a vízi élethez, hiszen azon kevés emlősfaj közé tartoznak, amelyek képesek egész életüket a vízben leélni: itt táplálkoznak, párzanak, sőt itt hozzák világra utódaikat is. Kevés kétség fér ahhoz is, hogy a bálnák és delfinek testalkata hidrodinamikailag szinte tökéletes, olyan mintha erre az életformára "teremtettek" volna.

Persze "teremtő aktusról" nincs (és nem is volt) szó, de a cetek különlegessége az emlősök között sokáig komoly fejfájást okozott Darwinnak és remek támadó felületet kínált a kreacionista mozgalmaknak az evolúcióval szemben. Az elmúlt évtizedben aztán minden megváltozott. Számos olyan fosszília került napvilágra, amelyek segítségével egyre finomabb képet kaptunk arról, miként is szánta rá magát az emlősök egy csoportja, hogy áttérjen a vízi életre. S bár nyilvánvalóvá vált, hogy Drawin megérzése, miszerint a cetek egy medveszerű ragadozó őstől számaznak pontatlan, mégsem tévedett nagyot. A történet valóban egy ragadozóval kezdődik, egy patás ragadozóval.

Ez a ragadozó, a mára már kihalt, tartozó Mesonychia csoportba tartozott. Egy farkas alkatú és méretű páros-ujjú patások volt, amelynek jellegzetes fogazata sokban hasonlított a mai ragadozó cetek fogaihoz.

A legősibb szárazföldi "cet" a Pakicetus, amely cirka 50 millió éve örvendeztette meg jelenlétével a környezetét, és a maradványai alapján mindenapi zsákmányát a folyókban halászva szerezte. Őt követi a sorban az Ambulocetus, amely már inkább egy emlősbe oltott krokodilként írható le: állkapcsa megnyúlt és hosszú farka volt, amelyet (feltehetőleg) előszeretettel használt az úszás során.

Ezután ahogy közeledünk korban napjainkhoz, úgy válnak a fosszíliák is egyre delfin- és bálnaszerűbbé. Egyre izomsabb farokúszójuk van, de ugyanakkor még mindegyiken jól felismerhető a hátsó végtag (bár fokozatosan csökken a mérete). Éppen ezért a legtöbb kutató azt valószínűsiti, hogy akárcsak ma a fókák és rozmárok, a Gaviocetus és rokonai még ki-kijöttek a szárazföldre, de ott egyre sutábban mozogtak. A sorozat a Basilosaurusnál látszik megszakadni, ahol már csak egészen elsatnyult hátsó végtaggal találkozunk - ennek már csak a párzásban lehetett szerepe.

(A vízi életmódhoz történő alkalmazkodás során a változás persze nem csak a hátsó végtagra korlátozódott. Jól nyomon követhető a fogazat átalakulása, a légzőnyílás "vándorlása" az állkapocs elejétől a koponya középső részére, vagy éppen a középfül átalakulása. Utóbbi különösen fontos lehetett, hiszen főleg rossz látótávolság esetén a vízben megnő a hallás jelentősége (még echolokáció hijján is), de a "hagyományos" szárazföldi életmódhoz alkalmazkodott emlős hallókészülék felkészületlen a vízben történő tájékozódásra. A külső hallójárat jelentősége elvesztődik, mivel a vízben terjedő hanghullám "berezgeti" az egész koponyát, ez pedig megnehezíti a hang irányának meghatározását. Ezért a cetek hallókészüléke egy párnázott üregben helyezkedik el, ahova az állkapocs körül elhelyezkedő különleges zsírpárna vezeti a hangot.)

Egy fejlődésbiológus számára persze a legizgalmasabb kérdés, hogy milyen molekuláris és genetikai okokra vezethető vissza a hátsó végtag elvesztése? Mivel sem bálna-, sem delfin embriókkal nem egyszerű dolgozni, a kérdés megválaszolása sokáig váratott magára, de idén tavasszal született egy magyarázat.

(Mivel lusta vagyok az alapoktól elindulni ;-), a következő bekezdés tartalmának kisilabizálásához meleg ajánlom a végtagfejlődéses post (újra)olvasását.)

A bálna fosszíliák felkutatásában is jeleskedő Hans Thewissen csoportja pettyes delfinek fejlődő embrióiban kezdte vizsgálni, hogy mely pontjain ment gallyra a végtagfejlődés mechanizmusa.

Az már régóta ismert volt, hogy a cetek embrionális fejlődése során megjelennek a hátsó végtagbimbók is, ám ahelyett hogy teljes értékű lábat hoznának létre egy idő után elsorvadnak. Az említett kísérletsorozat során kiderült, hogy ez egyebek mellett azzal magyarázható, hogy a végtagbimbó legfőbb "szervező központjaként" működő apikális ektodermális redő (AER) csak időleges alakul ki, egy idő után eltűnik. További érdekesség, hogy a végtag polaritásának kialkulásában kulcsfontosságú ZPA sem jön létre. Ez utóbbi persze lehetne azzal is magyarázható, hogy amiután az AER már nem alakult ki, a későbbi hátsó végtagfejlődési folyamatokban zavartalanul felhalmozódhattak a mutációk, de ha a fosszíliákat is megnézzük, akkor más következtetésre jutunk.

Sokkal valószínűbb ugyanis, hogy a ZPA hatómolekulájaként működő Sonic-hedgehog koncentrációjának lassú csökkenése okozta a hátsó végtag elsatnyulását az évmilliók során. Majd, amikor a hátsó végtag jelentősége teljesen elvesztődött bekövetkezhetett az AER funkcióvesztése is.

Mint minden evodevos cikkben, itt is fontos hangsúlyozni, hogy a változások/mutációk nem elsősorban a gének fehérje kódoló régióiban történtek, hanem a gének expresszióját szabályozó DNS szekvenciákban. (Mivel ezek a gének rengeteg más fejlődési folyamatban is kiemelten fontosak, ez érthető is.) Ez viszont egyszerűbbé teszi, hogy időnként "visszafordíthatóvá" váljon a változás, és olyan bálnák szülessenek, amelyeknek jól látható lába van. Az ilyen rég "elfelejtett" fejlődési mechanizmusok újraéledése vezet az atavizmusok kialakulásához.

---

Bővebben:
Talk.Origins: The Origin of Whales and the Power of Independent Evidence
Thewissen labor | Edward Babinski honlapja
Carl Zimmer: At the Water's Edge

---

Thewissen JG, Cohn MJ, Stevens LS, Bajpai S, Heyning J, Horton WE Jr. (2006) Developmental basis for hind-limb loss in dolphins and origin of the cetacean bodyplan. PNAS 103(22): 8414-8418.
Nummela S, Thewissen JGM, Bajpal S, Hussain ST, Kumar K (2004) Eocene evolution of whale hearing. Nature 430: 776-778.
Thewissen, J. G. M., Bajpai S. (2002) Whale origins as posterchild for macroevolution. BioScience 5: 1037-1049.

---

Előzmények:
„Kígyónak lábsó...” - Csökevény szervek 1. | Kilóg a kígyóláb
"... madaraknak fogsor" - Csökevény szervek 2. | Re: "...madaraknak fogsor"

2006. február 27., hétfő

Re: "...madaraknak fogsor"

Már a 19. században számos anatómus felfigyelt arra, hogy a csirkék embrionális fejlődése során átmeneti duzzanatok (papillák) jelennek meg a fejlődő embrió állkapcsán, amelyek sokban emlékeztetnek hüllő fogakra. Sőt, mint arról korábban már ejtettem szót, transzplantációs és más molekuláris kísérletek kimutatták, hogy a madarak szájában fellelhető szövetek megfelelő jelek esetén képes a fogképzés kezdeti lépéseit elindítani. Ez egy tipikusan olyan tulajdonság, amely alátámasztja a madarak evolúciós eredetét is, hiszen a paleontológiai leletek tanúsága szerint dino őseik kifejezetten jól fejlett fogazattal rendelkeztek.
Azért kanyarodnék vissza egy kortynyit a témához, mert a napokban jelent meg egy cikk [1], amely talán az eddigi legelegánsabb bizonyítéka a madarak fogképzési képességeinek. Az már korábban ismert volt, hogy a talpid (ta²) nevű mutáns csirkevonal számos végtag illetve csőr rendellenességet mutat [2], amelyek oka (bár a mutáció pontos mibenléte még nem ismert) részben a megnövekedett sonic-hedgehog (shh) expresszióban kereshető. Mivel a mutáció embrionális-letális, azaz a csirkék többsége még a fejlődés korai szakaszában a tojásban elpusztul, kevés megfigyelés született arról, hogy a szóbanforgó genetikai rendelleneség mivel jár későbbi fejlődési szakaszokban. Az említett tanulmány szerzői ezt a hiányt pótolták be. Mint kiderült, a ta² csirkék állkapcsán olyan kinövések jelentek meg, amelyek mind kinézetükben, mind az általuk expresszált gének tekintetében a krokodilok "első generációs" fogaira emlékeztetnek (a krokodiloknál két hullámban keletkeznek fogak: a második hullámban, nagyon hasonlóan az emlős fog kialakulásához, a hámszövet invaginációjával (betüremkedésével), ellenben az első hullámban ugyanezen szövet kitüremkedése hozza létre a fogakat). S mivel a ta² mutáció eredményeként az orális és aborális epitélium határa eltolódik, feltételezhető, hogy a madarak fogatlansága arra vezethető vissza, hogy az orális és aborális epitélium határán levő jelközpont és az általa "kibocsájtott" jelekre érzékeny mezenchyma, elmozdult egymás szomszédságából, vagyis hiába indul el a fogkialakulás első lépése, a környezetben levő szövetek nem kompetensek a jel feldolgozására, így a folyamat hamar megszakad. (Ez a model egyszersmint arra is magyarázatot ad, hogy miért lehetséges, hogy a fogkialakulás számára fontos mindkét szövet, az epitélium és mesenchyma külön-külön kompetensenek mutatkozik fogképzésre, ám az elő csirkékben a folyamat mégsem következik be.)

---

[1] Harris, MP, Hasso, SM, Ferguson, MWJ, and Fallon, JF (2006) The Development of Archosaurian First-Generation Teeth in a Chicken Mutant. Current Biology 16: 371-377.
[2] Schneider, RA, Hu, D, Helms, JA (1999) From head to toe: conservation of molecular signals regulating limb and craniofacial morphogenesis. Cell Tissue Res 296: 103–109.

---

Előzmény: "...madaraknak fogsor" - Csökevény szervek 2.

2006. január 3., kedd

"... madaraknak fogsor" - Csökevény szervek 2.

A csökevény szervekről szóló sorozat első részében a kígyók satnya végtagjait és a csökevényesség fejlődésbiológiai hátterét vettük górcső alá, most pedig, hogy a Doktor Bubó címdal lehetőségeit teljesen kiaknázzam, a madarak (nem létező) fogainak eredünk nyomába.

Persze, hogy megértsük, miért nincs foga a madaraknak, előbb azt kell röviden felvázolni, hogy más állatoknak (elsősorban egereknek) miért van. Az emlős fog a száj (orális) epitélium és az alatta fekvő, velősánc eredetű mesenchymális szövet kölcsönhatásának eredményeként jön létre (1. Ábra). Ez talán nem hangzik bonyolultan, de ha jól belegondolunk, fogsorunknak a szájban elfoglalt helyzete, az egyes fogak ezen belüli pozíciója, típusa és száma meglehetősen pontos pozícionális információt igényel, ami nagyszámú transzkripciós faktor kölcsönhatásával és átfedésével jön létre. (Akit esetleg érdekelnek a pontos részletek, annak az [1]-t ajánlanám a figyelmébe.) Ezen faktorok expressziójának változtatgatásával elérhető, hogy a pozicionális információ megváltozzon, s így vagy egyáltalán ne történjen az adott helyen fogképződés, vagy a létrejövő fog identitása megváltozzon (például egerekben metszőfogak helyett örlőfogak jöjjenek létre).

1. Ábra: A fogkialakulás kezdeti lépése az orális epitélium megvastagodása, majd betüremkedése az alatta fekvő velősánc eredetű mesenchymába. Ezt az utóbbi kondenzálódása követi, így létejön a fogbimbó. Az epitélium betüremkedése folytatódik, mígnem végül fokozatosan körbeveszi az összetömörülő mesenchymális sejteket. Az utóbbiakkal határos epiteliális sejtekből speciális, zománcot termelő ún. ameloblasztok jönnek létre, míg az epiteliális sejtekkel szomszédos mesenchymális sejtekből dentin termelő odontoblasztok keletkeznek.[1].

Az elfogadott okoskodás szerint a madarak ősei úgy 60-80 millió éve vesztették el a fogaikat, bár korai embrionális fejlődésük során megfigyelhető az emlős fogképződés kezdeti szakaszára emlékeztető epitélium megvastagodás. (Itt jegyezném meg a post legelején illusztrációként használt Archeopteryx koponya kapcsán, hogy minimum erősen vitatott, mennyiben is tekinthetők ezek a lények a mai madarak őseinek, bár kétségtelen, hogy számos cikk ezt készpénzként kezeli.) Hogy miért, ahhoz legegyszerűbb megint megnézni a már említett transzkripciós faktorok expresszióját a legkedveltebb madár „kísérleti nyúl”, a csirke egyedfejlődése során. Mint az kiderült számos fontos transzkripciós faktor (fgf8, pitx2, barx1, pax9) jelen van a megfelelő helyen és időben a csirke orális epitéliumjában, de néhány kulcsmolekula (bmp4, msx1, msx2) hiányzik ill. nem a megfelelő helyen van jelen. Ezek közül is talán az egyik legjelentősebb a bmp4, amely a csőr alakjának kialakításában is kulcsszerepet játszik (2. Ábra) és amely expressziója a szóban forgó területen alig észlelhető. Mivel mesterségesen adagolt BMP4 nemcsak a fogbimbóra emlékeztető struktúra kialakítását okozza, hanem a fogképződés során jellegzetes sonic-hedgehog (Shh) kifejeződését is indukálja, az egyik elfogadott nézet szerint a fog elvesztése a bmp4 szabályozásában bekövetkező változásnak köszönhető.[2]

Egy másik kísérleti eredmény azonban egy másik lehetőséget is felvet: egy kutatócsoport kicserélte a csirkeembriók orális mesenchymáját egérembriók megfelelő szöveteire (egész pontosan az orális mesenchyma kialakulásáért felelős velősáncot cserélték le), és fogakra igencsak hasonló képződmények kialakulására figyelt fel (2. Ábra) [3] (bár ezek pontos helyzetét nehéz meghatározni, hiszen a szövettranszplantáció eredményeként létrejövő kiméra eléggé amorf lényt hoz létre). Vagyis megfelelő körülmények esetén a csirkék száj-epitéliuma képes beindítani a fogképződés programját az alatta található mesenchymális szövetben, de valamiért a csirke mesenchyma nem fogékony ezekre az induktív jelekre. Felthetően mind ez, mind a BMP4 expresszió megváltozása oka, hogy a madaraknak nincsenek fogai, azonban, hogy melyik változás is volt előbb, az ma még igazi tyúk-tojás probléma. Hiszen ha egyszer valamilyen szabályozás elromlik és nem alakul ki a fogkezdemény, a fogkialakulás további lépéseiben fontos szabályozó szekvenciák is szabadon változhatnak, mivel ennek többé nincsen tétje. (Olyannyira így van ez, hogy bár az említett kísérletekben ahhoz nem fér kétség, hogy a fogképződés további lépéseit sikerült elindítani, tökéletes fog egyszer sem jött létre – bár kérdéses, hogy miként is nézne ki a madarak tökéletes foga ...)

2. Ábra: A csirkeembriók szájkezdeményének bizonyos részein az epitéliumban a bmp4 expressziója kevésbé intenzív, mint egerekben. (a, b). A csirke epitélium és egér mesenchyma kölcsönhatásának eredményeként fogszerű képződmények jönnek létre, és a betüremkedő (csirke) epitélium a fogképződésre jellemző cPitx2 faktort expresszálja (oe = orális epitélium, m = mesenchyma, t = fogszerű képződmény).

---

[1] Tucker A., Sharpe P (2004) The cutting-edge of mammalian development: how the embryo makes teeth. Nat Rev Gen 5: 499-508.
[2] Chen YP, Zhang Y, Jiang TX, Barlow AJ, St. Amand TR, Hu Y, Heaney S, Francis-West P, Chuong C-M, Maas R (2000) Conservation of early odontogenic signaling pathways in Aves. PNAS 97(18): 10044-10049.
[3] Mitsiadis TA, Cheraud Y, Sharpe P, Fontain-Perus J (2003) Development of teeth in chick embryos after mouse neural crest transplantations. PNAS 100(11): 6541-6545.

---

Előzmény: "Kígyóknak lábsó..." - Csökevény szervek 1.

2005. október 31., hétfő

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

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.