2011. március 1., kedd

Parti egerek - 3.

A hosszú ideje tartó tudományos bloggolás egyik előnye, hogy időnként lehetőségünk nyílik egy-egy hosszabb sztori befejezésére is (a hátrányok is nyilvánvalók: sokkal jobban tudatában vagyunk az idő visszafordíthatatlan múlásának). Jelen esetben egy olyan megfigyeléssorozatról van szó, ami a színében a floridai tengerpart homokdűnéihez alkalmazkodott Peromyscus egérpopuláció evolúciójáról szól, pontosabban a színeváltozásuk molekuláris mibenlétéről.

Bő három és fél évvel ezelőtt írtam a Hopi Hoekstra vezette kutatásról, ami akkor addig a pontig jutott el, hogy a színváltozást három gén mutációja okozhatta, amelyek közül egyik az a mintázat evolúcióknál mindeig előkerülő Mc1r, a másik a c-Kit, és a harmadik a mai történetünk szempotjából is fontos Agouti. Az Agouti érdekessége, hogy már hosszú ideje tudjuk, hogy szerepet játszik a pigmentáció szabályozásában (konkrétan gátolja azt), de sejtszintű hatása mindeddig homályban maradt.

Hoekstra csoportja legelőször részletesen elemezte a mintázat változást, ami a színezetet létrehozó ún. melanocita sejtek számának ill. előfordulási területüknek a csökkenésére vezethető vissza. Mint azt az alábbi ábra mutatja, ennek következménye az általában világosabb szőr-szín, illetve ez a jelenség, már születéskor nyilvánvaló, mint azt az egynapos egerek bőrén is látni.

Hogy jobban megértsék, milyen szerepet játszik az Agouti allél-változata mindennek a kialakításában, először megvizsgálták a génben található fehérjekódoló szekvenciát. Ebben nem találtak semmilyen érdemleges változást, így elég ésszerűnek tűnik kijelenteni, hogy egy szabályozó mutációról van szó.

Mielőtt jobban elmerültek benne, hogy mi is az allél konkrét hatása a fejlődésre, előbb azt is megnézték, hogy milyen hatása van, ha csak az Agouti allél mutáns az egerekben. (Mint az elején írtam, a "valódi" parti Peromyscus egerekben három gén mutációja is megfigyelhető.) Ezért ún. Agouti LL egyedeket hoztak létre, amelyek csak az agouti mutáns allélját hordozzák homozigóta formában. Ezekben a szőr-színezet kivilágosodása ugyanúgy megfigyelhető, mint a "parti" rokonaikban, illetve a hátukon levő színes tartomány is visszaszorul (bár ez nem annyira drámai).

Viszont akárcsak a valódi parti Peromyscus egyedek hasi (ventrális) bőrében itt is egyértelműen kimérhető, hogy a mutáns allél sokkal magasabb Agouti kifejeződési szintet hoz létre. Azaz a szóban forgó szabályozó mutáció eredménye, hogy a gén expressziója megnő.

Mindez festési eljárásokkal is egyértelműen kimutatható: az Agouti kifejeződése szélesebb tartományban magasabb szinten detektálható az Agouti LL egerekben, mint a szárazföld belsejében élő, vad típusú rágcsálókban.

Mindennek a hatása aztán a (Trp1 enzim jelenléte által felismerhető) melanociták számára és disztibúciójára nézve is egyértelműnek tűnik: kevesebben vannak és kisebb területet fednek le a háti oldalon.

További kísérletek azt is tisztázták, hogy miként függ össze a két megfigyelés: az Agouti nem a melanociták teljes fejlődését gátolja, mert korai, éretlen fázisukban azok ugyanúgy jelen vannak a bőr hasi és háti oldalán. Mindössze az "érésükkel" van gond, amikor elkötelezett, terminálisan differenciált sejtek lesznek belőlük és a köztakaró egy mélyebb rétegéből, a dermiszből, a legfelsőbb rétegbe, az epidermiszbe vándorolnak, hogy ott a szőrtüszőkbe vándoroljanak, s részt vegyenek a színezet kialakításában.

Az egész történet szép példája annak, hogy miként lehet néhány kulcs gén kifejeződésének szabályozásával fontos, evolúciós léptékű változásokat elérni, amiket aztán a szelekció ereje rögzít a megfelelő populációkban.

---

Manceau M, Domingues VS, Mallarino R, Hoekstra HE. (2011) The developmental role of Agouti in color pattern evolution. Science 331: 1062-5.

2010. március 4., csütörtök

Gipszdűnék lakói

Méltatlanul elhanyagoltuk egyik kedvenc témánkat, a pigmentáció evolúcióját, de most remek apropó nyílik arra, hogy visszatérjünk rá.

Az utóbbi időben egyre aktívabb Hopi Hoekstra csoportja most az egerek után egy másik kistermetű gerinces csoportot célzott meg: az Új Mexikóban élő gyíkokat.

Egész pontosan három fajt, a keleti sövényleguánt (Sceloporus undulatus), a csíkos teju (Aspidoscelis inornata) és a Holbrookia maculata-t (magyar nevéért még nyomozok) tüntették ki figyelmükkel, mivel mindhárom fajnak ismertek "albínó" populációi, amelyek a Chihuahuan sivatag White Sands nevű gipszdűnéin élnek. Ebben a környezetben érelemszerűen előnyös fehérnek lenni, hiszen így kevésbé keltik fel az állatok a ragadozóik figyelmét, s mivel a táj kb. 6000 éve alakult ki, így ez egy viszonylag friss formáját jelenti az evolúciónak.

Az fő gyanúsított (mint ilyen esetekben lenni szokott) a pigmentációs útvonal kulcsgénje, a melanocortin-1-receptor (mc1r) volt: tudjuk, hogy ha ez a receptor-gén olyan mutációt szed össze, ami folytán folyamatosan aktív lesz, az fekete mintázathoz, ún. melanizációhoz vezet, míg a működését tönkretevő mutációk, világos (vöröses) színkomplexiót okoznak. (Itt egy kicsit szakmai, de zanzásított képi összefoglaló az útvonal működéséről.)

A három esetből kettőben be is bizonyosodott, hogy valóban az Mc1r működésével van gond és ez az oka (legalábbis részben) az észlelt "albinizmusnak". (Az ábrán a receptor vázlatába az egyes fajok esetében előforduló jellegzetes mutációk lettek feltüntetve. Ezek pontos mibenléte a fajok képe alatt található.) A két külön fajnál, azonban teljesen más módon került sor a receptor működésének modulálására. (A Holbrookia sp. esetében valahol máshol keresendő a fehér szín oka - hiába hordoz az mc1r génjük is egy jellegzetes mutációt, annak, úgy tűnik, nincs hatása.)

Annyi közös, mind a sövényleguánok, mind a tejuk esetében, hogy a mutáns receptorok jelenlétében a sejt sokkal kisebb válaszreakciót generál, mint azt tenné hasonló körülmények között, nem mutáns ("vad") receptor jelenlétében (az alábbi ábrán ezt méri a felszabaduló cAMP). Azonban míg a tejuk esetében ennek az az oka, hogy a receptor kevésbé "vezeti a jelet", a sövényleguánoknál a jelek szerint arról van szó, hogy a mutáns receptor alacsonyabb valószínűséggel kerül ki a sejt felszínére (és kevesebb receptor értelemszerűen kisebb jelet generál).

A mutációk típusa azért sem mindegy, mert ez határozza meg, hogy hatásuk domináns vagy recesszív. Mivel az Mc1r molekulák a sejt belsejében dimerizálódnak és csak ezt követően kerülnek ki a membránba, látható, hogy heterozigóta sövényleguáok esetében, hiába van jelen a "vad" allél is, azt a mutáns allél visszatartja a citoplazmába, így aztán a hatása ilyen körülmények közt is érezteti magát. Magyarán, a mutáció domináns. A tejuk esetében viszont a "vad" allél, ha jelen van, kompenzálni tudja a mutáns allél működőképtelenségét, azaz ez egy recesszív mutáció, aminek hatása csak akkor lesz látható, ha egy egyed kizárólag  a mutáns mc1r allélokat hordozza.

Mivel a szelekció a kinézeten, vagyis a fenotípusokon "dolgozik" mindez kihatással van a különböző élő populációk genetikai összetételére is. A leguánok esetében az "albínó" populációkban is jelen lesz a vad típusú allél, hiszen heterozigóta formában az még mindig fehér színt eredményez, viszont a hagyományos környezetben élőkből teljesen hiányozni fog a mutáns allél (mert nem épp adaptív a fűcsomók közt fehéren rohangálni). A tejuk esetében pedig épp fordítva: a "klasszikus" populációkban is megtalálható a mutáns allél, ellenben a vadtípusú variáns csak nyomokban van jelen a dűnelakók génállományában.

Összességében a példa szépen mutatja, hogy a konvergens evolúció sem mindig ugyanazt az útvonalat járja be, még ha gyakorta ugyanazon az útvonalon keresztül érezteti a hatását.

(Az első kép innen való.)

---

Rosenblum EB, Römpler H, Schöneberg T, Hoekstra HE. (2010) Molecular and functional basis of phenotypic convergence in white lizards at White Sands. PNAS 107(5): 2113-2117.

2009. február 15., vasárnap

Fekete farkasok

És akkor egy kis visszatérés egyik kedvenc vesszőparipánkhoz, a pigmentáció evolúciójához. Ezúttal az észak amerikai szürkefarkasokat vesszük nagyító alá, ugyanis ennél a fajnál egy érdekes színezeti trend figyelhető meg: az északi, fátlan tundrán fiatalon világosszürkék, idősebben pedig piszkosfehér színűek ezek a ragadozók, viszont délebbre, ahogy nő az erdővel borított területek aránya, úgy nő egy olyan színváltozat gyakorisága is, amelyik fiatalon fekete, majd később sötétszürkévé válik.

A fekete szín ilyen esetekben mindig egy kicsit árulkodó: mivel már számos faj esetében feltérképezték a besötétülést, azaz melanizációt okozó mutációt, tudjuk, hogy leggyakrabban ez a egy ún. melanocortin receptorhoz, vagy az általa aktivált útvonalhoz köthető. Így aztán kézenfekvő volt a fekete farkasokban is először a receptort kódoló mc1r gént, ill. a jelátviteli út anatgonistáját kódoló agouti-t megvizsgálni. A vizsgálat azonban nem hozta a várt eredményt: a két említett génben semmilyen olyan változás nem tapaszatlható, ami megmagyarázná a pigmentációs útvonal extra aktivációját.

Így aztán más jelöltek után kellett nézni, és az egyik az történetesen az a K lókusz lett, amiről nemrég kutyák esetében derült ki, hogy mutálódva fekete szőrszínt okozhat. Itt már több szerencsével járt a kutatás: kiderült, hogy a szóbanforgó gén, a fekete egyedekben valóban tartalmaz egy rövid, 3 bázispárnyi deléciót, ami működésképtelenné teszi. Ami azonban furcsává teszi a dolgot, hogy pont ugyanezt a mutációt lelték a fekete ebekben is.

Ennek magyarázatára három elméletet gyárthatunk: vagy a kutyák és farkasok ősében már létezett ez az allélvariáns, ami mindkét vonalon megmaradt és amikor a szelekciós körülmények megfelelőek lettek, hirtelen elterjedt, vagy az adott DNS szakasz valahogy különösen vonzza a mutációkat, vagy a mutáció valójában csak egyszer, vagy a kutyákban, vagy a farkasokban jelent meg, s később átkeveredett a másik vonalba (ne feledjük, itt azért egy fajról van szó, ez nem lehetetlen).

Eldöntendő, hogy melyik is igaz a három elmélet közül, a kutatást végzők górcső alá vették a K lókusz körüli DNS területeket is. Először is az derült ki, hogy fekete farkasokban, ellentétben a fekete kutyákkal a mutáns allél körüli DNS szakasz gyakorlatilag mindig változatlan. Ez arra utal, hogy a mutáció nemrég jelent meg a körükben, különben a rekombináció révén azért már több változatosság csúszott volna be ebbe a genomi régióba. (A hosszabb idő több egyedet és így több ivarsejtet jelent. Márpedig minden ivarsejt kialakulását megelőző meióziskor bizonyos eséllyel lejátszódhat egy rekombináció a K lókusz közelében. Minnél több rekombinációra volt alkalom, ez az esély egyre nagyobb lesz.)

Ami azonban még meglepőbb: a fekete farkasok szóbanforgó DNS szakasza leginkább nem a szürke farkasok homológ DNS szakaszára hasonlított (amit, ha a mutáció a farkasokban következett be, elvárnánk), hanem a kutyák K lókusz körüli szakaszára!

Vagyis a fekete farkasok magyarázata abban rejlik, hogy a kutyákban megjelent genetikai variáció visszakerült a farkasokba (a mikéntbe ne menjünk most bele, a zord és hideg északi erdők nyilván forró románcoknak is helyet adhatnak ;-)), ami kivételesen szelekciós előnynek bizonyult: az erdők árnyai között előnyösebb fekete/szürke színben pompázni mint fehérben. Így aztán a frissen megjelent DNS variáció rögzült a szürkefarkas populációban, s fokozatosan elterjedt. Kivételesen, egy emberi szelekció által létrehozott variáció, a természetben is megállta a helyét.

---

Anderson TM, Vonholdt BM, Candille SI, Musiani M, Greco C, et al. (2009) Molecular and Evolutionary History of Melanism in North American Gray Wolves. Science doi: 10.1126/science.1165448

2008. augusztus 8., péntek

Fehérló - 2.

Az autó előtt volt a ló, s ez időben a fehér hátas számított az abszolút státuszszimbólumnak. Nem meglepő hát, hogy a tenyésztők mindent megtettek a privilegizált kevesek ezirányú igényeinek kielégítéséért. E törekvések eredményeként, egymástól függetlenül, több világos lóparipafajta jött létre, melyek többnyire különböző mutációknak köszönhetik színüket. Az egyik ilyen genetikai elváltozásról nemrég már ejtettünk szót, most lássunk a "fehérló-probléma" egy másik lehetséges "megoldását".

Pontosabban, ha teljesen hűek akarunk maradni a valósághoz, ezek a lovak nem is fehérek, a szó szoros értelmében. Legalábbis életük elején nem azok (hanem szürkék), csak viszonylag hamar "megőszülnek", s szőrük fehérré változik. Ennek a pontos biológiai (sejt szintű) mechanizmusa még nem ismert, de a korai őszülés mögött levő gén(ek) azonosításával, egy igencsak jó képet alkothatunk arról, mi is történik.

Azt már eddig is tudni lehetett, hogy a tulajdonság 25. kromoszómához kötődő, domináns jelleg (vagyis elég ha csak a kromoszómapár egyik tagján megtalálható a mutáció, akkor is látható lesz a hatása). Ami csak most derült ki, hogy pontosan, hol is van a kormoszómán a genetikai változás.

Több mint 700 ló megvizsgálása után (na és persze a jól haladó ló genom-projectnek is köszönhetően) a kutatást végzők egy szűkebb régióra kezdtek összpontosítani, ahol mindössze négy gén található. Ezek egyikét sem hozták korábban összefüggésbe a színezettel, bár sejtbeli funkciója alapján legalább az egyikük esetében nem zárható ki elviekben ilyesmi. Ez pedig egy synatxin gén (STX17), amelynek a sejt belsejében levő kis "csomagok", ún. vezikulumok szállításáért felel: mivel a színanyagot termelő melanocita sejtek ilyen csomagokban tartják a színanyagukat, már látszólag meg is van a tettes. A gond, elsőre, csak az, hogy a STX17 fehérje szerkezetileg teljesen normális (sőt, a másik három fehérje esetében is hasonló a helyzet). Ha azonban a fehérjét kódoló gént vesszük jobban szemügyre, akkor hamar felfedezhető, hogy egyik nem kódoló régiója, intronja megduplázódott. S mivel ebben a DNS szakaszban olyan szabályozó elemek vannak, amelyek a gén expresszióját alapvetően meghatározzák, a duplikáció eredményeképpen a STX17 gén túltermelődik.

A már-már idilli képet azonban egy makacs tény nem hagyja összeállni: ha ezekben a lovakban valóban a kis "csomagocskák" szállításával lenne elsősorban gond a szőrzetért felelős szőrtüszők melanocitáiban, akkor az már születésüktől fogva evidens kellene legyen. De nem az, hiszen amint írtam születésükkor még igencsak színesek. Azaz mindent összevetve valószínűtlen, hogy a STX17 lenne a ludas. De akkor mi más?

Mint kiderült, a duplikáció nemcsak a synatxin gén expresszióját változtatta meg, hanem a szomszédos NR4A3 génét is megnövelte. Ennek szerepe a sejtciklus szabályozásában van, így például azt is meghatározza, hogy milyen ütemben jöjjenek létre a már emlegetett melanociták az őssejtjeikből. Ha túl sok NR4A3 van a sejtben a ciklus túlpörög és a túlerőltetett őssejtek elpusztulnak, vagyis egy idő után már nem jönnek létre új melanociták a szőrtüszőben, s ennek következményeként nem termelődik új színanyag. Ezt a "felpörgetős" modellt látszik alátámasztani az is, hogy a fiatal lovak, az őszülés beállta előtt, paradox módon kicsit besötétülnek - épp mint azt elvárnánk, ha kezdetben, az őssejtek kifáradása előtt, túlpörög a színanyag termelés.

A sejtciklusba való belepiszkálásnak azonban másfajta hatásai is lesznek: a 15 évnél idősebb szürke lovakban 70-80 százalékos valószínűséggel bőrrák lesz diagnosztizálható. Ennek elsődleges oka a melanociták egy másik típusának, a bőrben levő pigmentsejteknek a kóros elburjánzása. Különösen magas a dagant kialakulásának a gyakorisága a lipicai lovakban, így érdemes volt annak is utánanézni, hogy ezt milyen (további) mutáció okozhtaja?

A STX17 intron-duplikáció mellett ezekben a hátasokban az agouti nevű gén működésével is gondok vannak. Ez elsőre nagyon furcsa: más fajokban, ha ez a gén nem működik, annak sötét szőrzet az eredménye. A lipicai lovakban azonban a szőrtüszők melanocitáinak hiányában minderre nincs lehetősége az agouti által befolyásolt MC1R-jelátviteli-útvonalnak. Helyette viszont a bőrben levő további pigment sejtekben kavarnak (az STX17-el karöltve), s ennek lesz eredménye a melanoma.

(A lipicai lovak képe a kalandtabor.hu-ról származik.)

---

Rosengren Pielberg G, Golovko A, Sundström E, Curik I, Lennartsson J, et al. (2008) A cis-acting regulatory mutation causes premature hair graying and susceptibility to melanoma in the horse. Nat Genet 40(8): 1004-1009.

2008. január 2., szerda

Bőrszínek - 2.

Az elmúlt év legvisszatérőbb témája az állati szőrszínezet, vagyis pigmentáció evolúciója volt, így talán stílszerű, hogy az év utolsó postjának tervezett, de persze az új évbe átcsúszó beírás is ezzel a témával foglalkozzon.

Mondjuk a pigmentációs posztok közt talán meglepő módon ez alkalommal egy nem-emlős gerincesről lesz szó. Ugyanakkor a rendszeresebb olvasók számára nem lesz meglepő utóbbi kiléte, hiszen az evodevo kutatások egyik új sztárjáról lesz szó, a tüskéspikóról. Az új eredményt ugyanaz a David Kingsley (illetve csoportja) követte el, aki korábban a pikók tengeri és édesvízi változatai közt megjelenő csontozatbeli különbségek molekuláris okait kutatta.

Ezúttal is az említett két populációhoz nyúltak vissza, de ez alkalommal nem a hasúszók jelenlétére és csontlemezek számára koncentráltak, hanem a halak színére. Ugyanis felfigyeltek arra, hogy az édesvízi tüskéspikók lényegesen világosabbak, mint tengeri társaik. Ráadásul ez nemcsak egy helyen figyelhető meg, hanem számos, földrajzilag egymástól távol levő tóban, valószínűvé téve, hogy a halak "kivilágosodása" többször, párhuzamosan végbement.

A két populáció keresztezése, illetve az így kialakuló utódok molekuláris térképezése (részleteket lásd az előző tüskéspikós posztban) után a gyanú a pikók 19. kromoszómájának egy jól behatározható régiójára esett, oda ahol a Kit Ligand (Kitlg) nevű gén található, amely a KIT nevű receptorhoz kötődni képes fehérjét kódolja. A KIT receptor maga már ismerős lehet a pigmentáció-ínyencek (valaki súgja meg, hogy az angol "aficiando"-t lehet-e magyarítani? ;-)), hiszen a közelmúltban ennek a génjét hozták kapcsolatba a fehér lovak színtelenségével is, így a Kitlg kézenfekvő jelöltnek tűnt.

Kicsit figyelmesebb kutakodás aztán kiderítette, hogy feltehetőleg valóban a Kitlg mutációja okozza a világos színt az édesvízi pikókban, de nem egy ún. "strukturális" mutációról van szó (vagyis nem a gén kódolta fehérje szekvenciája változott úgy meg, hogy a ligand működésképtelen lett), hanem a gén szabályozásában bekövetkezett változásról: a Kitlg számos olyan testrégióban nem íródik át a világos halakban, ahol egyébként tengeri társaikban átíródna.

Mint pár sorral feljebb már említettem, egymástól távoli, így nem rokon édesvízi populációk egyaránt világosak, kézenfekvőnek tűnt, hogy a párhuzamos evolúció egy klasszikus példájával állunk szemben, ahol nagyon hasonló tulajdonságok alakulnak ki egymástól függetlenül - esetenként nagyon hasonló módon. A pikó pigmentáció esetében a különböző tavi populációk szinte megegyező Kitlg változást mutatnak, ami gyanússá tette, hogy a mutáció már az eredeti, tengeri populációban is jelen volt, s később megfelelő környezetekben elterjedt a halak között. Néhány tucat tengeri hal górcső alá vétele kiderítette, hogy valóban ez a helyzet: pár százalékos gyakorisággal a Kitlg szabályozó mutációja jelen van sötét populációkban is. Hogy pontosan mi volt az az előny, ami miatt aztán a mutáció előnyössé vált a tavakban, arról egyelőre csak találgathatunk.

A Kit - Kitlg páros a pigmentsejtek túlélését és méretét szabályozzák, így szerepük logikus a pigmentáció alakításában, de vannak más funkcióik is pl. a vérképzésben, szaporodóképességben vagy éppen a térbeli tájékozódás kialakításában. Ez utóbbi azért érdekes, mert az édesvízi tüskéspikókban miközben a bőrben és kopoltyúban csökkent a Kitlg koncentrációja, az agyban növekedett. Tehát elképzelhető, hogy a tavi környezetben előnyösebb a világosabb szín és ennek kialakulását kísérte a gén átíródásának megnövekedése az agyban. de az sem kizárt, hogy a tavak aljzata igényelt másfajta tájékozódást, mint a tengerek nyílt vize, és ez vezetett a Kitlg agybeli szabályozásának megváltozásához, ami mellett másodlagos a színbeli különbségek kialakulása. Hogy mi a pontos helyze, azt majd további kutatások deríthetik ki.

Ami miatt a Kitlg története különösen izgalmassá válik, az az, hogy számos európai és ázsiai populációban ez a gén azok között található, amelyek komoly szelekción mentek keresztül az utóbbi pár tízezer évben. Mint az mindenki számára triviális, az említett földrajzi területeken élő emberekre egyaránt a világosabb bőrszín a jellemző: mivel a kisebb UV sugárzás miatt nem kell annyira védjék a bőrüket sötét pigmenttel és inkább a D-vitamin szintézisükre tudnak koncentrálni, amihez történetesen nem árt a napfény. (A hasonlóság mellett talán egy különbséget is hangsúlyoznék: a pikókkal ellentétben, az ősi emberi populációkban valószínűleg nem volt jelen a mutáns allél, az magától alakult ki később.)

Az emberi bőrszínt természetesen nem egy, hanem számos gén együttes hatása alakítja ki. Azonban a Kitlg történetesen nem az első olyan gén lenne, amelynek szerepét egy hal segítségével tisztázták; erre a címre egy ioncsatorna, az slc24a5 pályázhat. Persze a teljes igazsághoz az is hozzátartozik, hogy az emlős bundák színét gyakorta alakító MC1R, melanocortin receptor és vele egy jelátviteli útvonalban levő fehérjék szintén szerepet kapnak az emberi bőr- ill. szőrzet színek különböző árnyalatainak kialakításában: a napokban jelent meg például egy olyan tanulmány is, amely az izlandiak és hollandok körében megfigyehető haj-, szem- és bőrszín variáció tetemes részének okát a Kitlg ill. egy másik slc ioncsatorna mellett, az Mc1r-ben és molekuláris partnereiben lelte.

---

Miller CT, Beleza S, Pollen AA, Schluter D, Kittles RA, Shriver MD, Kingsley DM (2007) cis-Regulatory Changes in Kit Ligand Expression and Parallel Evolution of Pigmentation in Sticklebacks and Humans. Cell 131: 1179-1189.
Sulem P, Gudbjartsson DF, Stacey SN, Helgason A, Rafnar T, et al. (2007) Genetic determinants of hair, eye and skin pigmentation in Europeans. Nat. Genet. 39(12): 1443-1452.

2007. december 9., vasárnap

Fehérló

A fehér ló regék és mítoszok visszatérő szereplője, mesebeli királyfik és valódi kormányzók választott hátasa. Pedig a fehér ló is csak ló, egyetlen különlegessége színében rejlik.

Hogy mi okozza ezt a színt, pontosabban színtelenséget, eddig kicsit rejtélyes volt, bár ahogy egyre többet tudtunk meg a pigmentáció biológiájáról, egyre közelebb kerültünk a megoldáshoz (na, meg persze az sem ártott, hogy a genom szekvenálás elterjedésével egyre egyszerűbb és gyorsabb lett viszonylag nagyméretű gének megszekvenálása is). Rendszeres olvasóimban már biztos felébredt a sanda gyanú, hogy a poszt csak egy újabb apropót kínál arra, hogy újabb bőrt húzzak le a testszín-meghatározásban kulcsfontosságú Mc1r receptorról, így gyorsan megnyugtatnék mindenkit, hogy (kivételesen) nem erről lesz szó ;-).

Persze, azért nem is megyünk nagyon messzire. Azokra a sejtekre koncentrálunk, amelyekben aztán az Mc1r kifejti jótékony (sötétpigment-szintetizáló) hatását. Ezek az ún. melanociták, a pigmentsejtek, amelyek fejlődésbiológiailag egy különleges sejtpopulációból származnak. A velőlécet (neural crest) a velőcső (neural tube) összezáródásakor a cső felett levő sejtpopuláció hozza létre. Ezeknek a sejteknek számos fontos feladatuk lesz: pl. a fejben a koponya egyes elemeit, illetve a hozzájuk kapcsolódó izmokat hozzák létre, de részt vesznek a fogak, a pajzsmirigy, a belső fül, a szem és számos ideg kialakulásában is. Ezek mellett szinte mellékesnek tűnik, hogy velőléc eredetű sejtek felelősek a színezet kialakulásáért is.

A velőcső fölül a lassanként differenciálódó sejtek, így a melanociták is fokozatosan, a testfal mentén lefelé vándorolnak, mígnem el nem érnek végleges helyükre (ezt mutatja a fenti ábra keresztemetszeti ábrázolásban). Ebben a folyamatban (illetve a pigmentsejtek életben maradásában) fontos szerepet játszik egy receptor molekula, amelyet a KIT gén kódol.

Persze előfordulhat az is, hogy a test legtávolabbi pontjaira (ez értelemszerűen a hasi oldalt jelenti van) már nem jutnak el a melanociták, ilyenkor egy jellegzetes fehér "mellény" alakul ki. Ha pedig a melanociták el sem indulnak, vagy menetközben elpusztulnak, akkor egyáltalán nem lesz pigmentáció, testszínezet. S ezzel kvázi le is lőttem a poént, hiszen a jelek szerint ez okozza a fehér lovak fehérségét is. Gyakorlatilag az összes vizsgált esetben (a Franches-Montagnes lovakat, az arab telivéreket, a camarillo fehér és Thoroughbred hátasokat vették górcső alá) a KIT gén különböző mutációira leltek, amelyek vagy működésképtelenné teszik a fehérjét, vagy csökkentik a működőképességét.

Érdekes, bár azért nem meglepő, hogy a lovak nincsenek egyedül ezzel a típusú albinizmussal, hiszen a KIT gént már korábbi vizsgálatok összekapcsolták az emberi piebaldizmus egyes formáival, illetve egér szőrszín mutációkkal is.

---

Haase B, Brooks SA, Schlumbaum A, Azor PJ, Bailey E, et al. (2007) Allelic Heterogeneity at the Equine KIT Locus in Dominant White (W) Horses. PLoS Genet 3(11): e195 doi:10.1371/journal.pgen.0030195
Steingrímsson E, Copeland NG, Jenkins NA (2006) Mouse coat color mutations: From fancy mice to functional genomics. Dev Dyn 235(9): 2401-2411.

2007. november 8., csütörtök

Fekete ebek

Hát akkor ismét szőrszín, mert ez (szinte) kifogyhatatlan téma, már csak azért is, mert a laikusok számára is evidens, könnyen érzékelhető változásról van szó.

A természetben a legkülönbözőbb állatokban megfigyelhető egyik leggyakoribb változás a teljesen fekete (ún. melanizált) formák megjelenése. A dolog érdekessége, hogy a fajok elsöprő többségében, két gén, a melanocortin-1 receptor (mc1r) és az agouti mutációja felelős a melanizált fomrák kialakulásáért (és, ami azt illeti, sok más szőrszínváltozat kialakulásáért is). Épp ezért keltett feltünést, amikor pár éve a genetikai vizsgálatok kiderítették, hogy a kutyák esetében a fekete szőrszínt nem ezek a gének okozzák, hanem valami más, egy misztikus K lókusz.

A K lókusz molekuláris mibenléte sokáig homályban maradt és csak a napokban derült fény arra, hogy β-defensin génről van szó. Ez első blikkre finoman szólva is meglepő, hiszen a defensineknek az immunválaszban van jól dokumentált szerepe és nem a szőrszín kialakításában, így aztán jópár kísérletet kellett elvégezni ahhoz, hogy kiderüljön, miként is keletkeznek a fekete ebek.

Megnyugtató módon, már a legelején tisztázódott, hogy valami úton-módon, a β-defensin is a klasszikus, Mc1r függő jelátviteli útvonalba szól bele. Sőt, kitartóbb vizsgálódás azt is bizonyította, hogy a fehérje fekete szőrszínt okozó formája erősen tud magához a receptorhoz kötődni, aktivizálva a fekete pigment szintézisét katalizáló folyamatokat. Mindez szép, logikus és kerek, de van egy bökkenő: a β-defensin gén "normál" (nem fekete színt okozó) verziója is képes hasonló erősséggel a receptorhoz kötődni, azaz a kapcsolat puszta ténye önmagában nem lehet a válasz.

Hogy ne sokat kerteljek, a lényeg úgy tűnik a β-defensin fehérje molekulák mennyiségén van. Ugyanis a gén "fekete" alléljáról átíródó mRNS-ből több lesz a sejtben, mint a normál allélról átíródóból (ergo több fehérje is készül belőle) és ez épp elég az útvonal felpörgetéséhez. (Ha a normál allélból készíttetünk a sejttel többet, akkor az szintén fekete színt idéz elő.)

Persze azt még jó lenne tisztázni, hogy a természetben pontosan miért van kölcsönhatás a melanocortin receptorok és a defensin fehérjék között, mert ez továbbra is rejtély maradt...

---

Candille SI, Kaelin CB, Cattanach BM, Yu B, Thompson DA, et al. (2007) A β-Defensin Mutation Causes Black Coat Color in Domestic Dogs. Science doi: 10.1126/science.1147880

2007. október 27., szombat

Vörösek

Úgy tűnik, hogy hirtelen nagyon trendi lett neandervölgyi géneket vizsgálni, hiszen a múlt heti "beszéd-génes" cikk után, a Science-ben most az egyik szőrzetszínt befolyásoló génnek (mc1r) estek neki.

Az érdeklődés persze nagyon is indokolt, hiszen a H. neanderthalis a legközelebbi (bár már nem élő) rokonunknak tekinthető, így aztán génjeinek vizsgálata jó eséllyel választ adhat arra, hogy mi az ami konkrétan a mi fajunkat egyedivé teszi. Ugyanakkor, mint ez az aktuális cikkből is kiderül, a közeli rokonság egyben technikai buktatót is jelent. Az ősi csontok vizsgálata során mindig komoly gondot jelent a modern "szennyeződés", vagyis a csontokat feltáró és kezelő régészektől származó DNS szennyeződés, ugyanis ez gyakran félrevezetheti a később vizsgálódó genetikusokat. Épp ezért egy-egy gén vizsgálatakor csak akkor lehetnek a kutatást végzők biztosak abban, hogy valóban egy ősi gént leltek, ha az minimum egy bázisnyi különbséget tartalmaz a modern emberi génekhez képest. A teljesen azonos szekvenciáknál ugyanis a mai módszerekkel nem dönthető (még) el, hogy valóban megegyező szekvenciákkal állunk szemben, vagy pechünkre a genetikai szennyeződést vizsgáljuk.

A szóbanforgó cikkben viszgált MC1R receptorról már esett korábban is szó (még paleogenomikai kontextusban is), s mivel ez a gén felelős leginkább az emlősök körében tapasztalható szőrszínvariációkért, logikusnak tűnik a vizsgálata, ha valaki arra kíváncsi, hogy esetleg voltak-e világos színkomplexiójú egyedek a neandervölgyiek között.

Működése során az aktiválódott MC1R egy apró jelátvivő molekula, a cAMP szintjét növeli meg, és ez vezet majd ahhoz, hogy a sárga/vörös pigment helyett fekete pigment keletkezzen. Épp ezért, ha az MC1R nem működik teljes gőzzel, világosabb vagyis szőkés/vöröses szőr- ill. hajszálak jönnek létre.

A neandervölgyi mc1r különlegessége, hogy bizonyos esetekben a jelek szerint egy olyan jellegzetes mutációt hordoz(ott), aminek a következtében, működésbe lépésekor a cAMP koncentráció nem éri el azt a szintet, amit a sötét hajú emberekben figyelhetünk meg. Érdekes módon, ez nem azért van (volt), mert a receptor kevésbé hatékony, hanem mert (pontosan nem tisztázott okok miatt) eleve kevesebb mutáns receptorfehérje jut el a sejtek belsejéből a felszínükre. A végeredmény szempontjából azonban ez mindegy és a létrejövő alacsonyabb cAMP szint megegyezik azzal, amit vöröshajú emberekből izolált MC1R hoz létre - azaz jó eséllyel feltételezhető, hogy az ősi neandervölgyiek kb. 1%-a vörös fej- és arcszőrzettel büszkélkedhetett.

---

Lalueza-Fox C, Römpler, H, Caramelli D, Stäubert C, Catalano G (2007) A Melanocortin 1 Receptor Allele Suggests Varying Pigmentation Among Neanderthals. Science doi: 10.1126/science.1147417

2006. július 10., hétfő

Szőke mamutok, parti egerek

A jelek szerint a történelem valóban ismétli önmagát, különösen ha a szőrszín megváltozásáról van szó.

Az emlősök között egy Arizonában élő egérfaj (Chaetodipus intermedius) a klasszikus példa arra, hogy a szőrzetszín miként alkalmazkodik a környezethez. A sziklák között élő egér természetes színe a barnás-szürke, de azok az egérpopulációk, amelyek a környéken több helyen előforduló, sötétszínű, megkövesedett láva-folyamok környékén élnek a fekete szőrzet szín dominál. Ennek adaptív hasznát könnyű belátni, hiszen a ragadozók könnyebben kiszúrnak egy barna egeret a fekete környezetben, mint egy ugyancsak feketét.

A bundaszín változás különböző fekete-populációk esetében általában különböző génre vezethető vissza, azonban az egyik esetben a melanocortin-1-receptor (mc1r) génben következett be a változás. Normális esetben ennek a receptornak csak olyan területeken aktivizálódik, ahol pl. később egy sötét színű folt alakul ki az állat szőrzetében, ezeken a helyeken serkentve egy sötét színű pigment, az eumelanin termelését. A fent említett populációban azonban egy olyan mutáció következett be a génben, amely miatt a receptor folyamatosan aktív lett, így aztán az egeret (többé-kevésbé) egyenletes fekete színű bunda borítja.

Ebben a példában az mc1r mutációját az teszi különösen érdekessé, hogy sok más állat (jaguár, jaguarundi, aranyfejű oroszlán tamarin) sötét színű, azaz melanizált, természetes populációiban ugyancsak ez a gén változott meg (akárcsak számos háziállat esetében).

Ha az MC1R túlságosan aktív akkor az állat besötétül, de mi lesz akkor, ha egy olyan mutáció jelenik meg, amelynek következtében a receptor elveszíti aktivitását? A válasz logikus: világosabb bundájú populációk születhetnek (már ha a természetes szelekció nem lép csúnyán közbe). Például a fekete medve egyes egyedei nevüket meghazudtolva világos bundában pompáznak - a ludas (ennyi felvezetés után már nem nagyon meglepő módon) az mc1r-t inaktivizáló mutáció. De hasonló okra vezethető vissza egyes lovak, vagy éppen emberek vöröses szőrzete is.

Az mc1r-szőrzet szín témakörben két újabb példa az eheti Science hasábjain látott napvilágot. Az egyik ismét amerikai egerekhez kapcsolódik: ezúttal a Mexikói öböl partján lakó, floridai parti egereket (Peromyscus polionotus) vizsgáltak a kutatók. A parttól távolabb fekvő területeken élő egerek sötétes színezettel rendelkeznek, a parti homokos fövenyen futkározók azonban homokszínű, világosabb bundát viselnek. Mint arra fény derült, ez esetben a világos szín kialakulásában több gén is szerepet játsizk, de ezek közül az egyik legfontosabb (a jelleg kb. 26%-áért felelős) ismét csak az mc1r. Egy olyan mutáció következett be a génben ezúttal, ami egy aminosav megváltozását okozta (Arg⁶⁵Cys), ez pedig azzal járt együtt, hogy a receptor aktivitása lényegesen lecsökkent, vagyis kevesebb sötét pigment termelődik. (A tényszerűség kedvéért, ua. egérfaj atlanti partokon élő világosabb populáció esetében az okok máshol keresendők, mert azokban az egérpopulációkban nincs jelen ez a mutáció - lásd alábbi ábra, ahol a kördiagrammok fehér része jelképezi a gén mutáns alléljának előfordulási gyakoriságát -, azaz ott más változások miatt világosodtak ki az egerek).

S, hogy történetünk valóban kerek legyen, egy másik kutatócsoport mamut géneket próbálva szekvenálgatni, az egyik mintájukban épp az mc1r-t vették górcső alá. Meglepetésükre, a vizsgált minta egykori tulajdonosa heterozigóta volt erre a génre nézve, azaz a gén különböző példányát hordozta - mit ad az ég, az egyik a parti egerekben is jelen levő ciszteint kódolta az MC1R homológ pozíciójában, a másik pedig sötétebb egerekre is jellemző arginint. Rekonstruálva a szóbanforgó allélok által kódolt fehérjéket, kiderült, hogy míg az utóbbi receptor teljesen funkcionális, addig az előbbi, hasonlóan az egerekéhez, nem az. Vagyis az egykori szőrös-ormányos óriások populációiban egyszerre voltak jelen "szőke" és "barna" példányok. Csak míg a láva folyásokon élő fekete egerek, ill. a homokon futkározó világosbarna rokonaik esetében értjük, hogy mi lehetett a változás adaptív oka (miért hasznos épp ott, épp olyan bundában lenni), addig a mamutok esetében ez feltehetően örök rejtély marad (persze az is lehet, hogy sem előnye, sem hátránya nem volt szőke mamutnak lenni - akkor még vicceket sem meséltek szőke mamutlányokról -, a mutáció semleges volt és véletlenszerűen rögzült).

---

Majerus, ME, Mundy, NI (2003) Mammalian melanism: natural selection in black and white. Trends in Gen 19: 585-588.
Hoekstra, HE, Hirschmann, RJ, Bundey, RA, Insel, PA, Crossland, JP (2006) A Single Amino Acid Mutation Contributes to Adaptive Beach Mouse Color Pattern. Science 313: 101-104.
Römpler, H, Rohland, N, Lauleza-Fox, C., Willerslev, E, Kuznetsova, T, Rabeder, G, Bertranpetit, J, Schöneberg, T, Hofreiter, M (2006) Nuclear Gene Indicates Coat-Color Polymorphism in Mammoths. Science 313: 62

2005. december 19., hétfő

Bőrszínek

Miért különbözik egyes emberi csoportok bőrszíne? Nyilván nem azért alakult így, hogy hosszú évszázadokon keresztül, a "mi" és "ők" kategóriák fenntartóinak munícióként szolgáljon, mert a természet nem foglalkozik ilyen hülyeségekkel. Annak, hogy különböző éghajlatokon különbözik az egyes emberek bőrszíne, kőkemény élettani okai vannak. Azokon a területeken, ahol erősen süt a nap és nagy az UV-A sugárzás a fekete bőrszín kiszűri a DNS-ben kárt okozó napsugarakat (éppen ezért sokkal alacsonyabb ezeken az égöveken a sötétbőrszínüek körében a bőrrák aránya), illetve megvédi a lebomlástól a DNS szintézishez fontos folát nevű molekulát. Ugyanakkor a napfénynek nemcsak káros hatása van, hanem nagyon fontos a D-vitamin szintéziséhez, ezért mérsékelt égöveken, ahol a napfény nem annyira erős, a világos bőrszín sokkal több előnnyel jár. A bőrszín egy melanin nevű pigmenttől függ, amelyet a bőrben található sejtek, a melanociták termelnek speciális sejtorganellumaikban a melanoszómákban (világos bőrű emberekben ennek a termelésnek a beindulásához erős napsütésre van szükség, ezért "barnulunk" le a tengerparton). A bőrszínek közötti eredendő különbség ezen melanoszómák számából és nagyságából ered.

Annak ellenére, hogy a bőrpigmenttáció sejttani alapjairól sokat tudunk, a genetikai háttér elég homályos. Eddig főként a melanocortin-1 receptor (MC1R) fehérje szekvenciája és a bőrszín között írtak le összefüggést [1], most azonban egy újabb gént lehet a listához adni (a jól csengő és könnyen megjegyezhető slc24a5-ről van szó) és ezúttal némi funkcionális adatsor is alátámasztja ezt a megfigyelést [2].
A felfedezés egy zebrahal mutánsnak köszönhető, amely a narancssárgás színe miatt a golden keresztnévre hallgat. Ha hinni lehet a szakmabeli pletykáknak, Keith Chang csoportja közel tíz éve klónozgatta a mutációt okozó gént, míg végül siker koronázta törekvéseiket, olyannyira, hogy az eheti Science címlapjáig (majd onnan a vezető hírportálokig) jutott az eredményük.

1. Ábra: A golden zebrahalak bőrében kisebb és halványabb melanociták találhatók (A,B). [2]

A golden zebrahalak pigmentációjának hibája ahhoz vezet, hogy a melanocitáik kisebbek és halványabbak, bennük kevesebb melanoszóma van (naná, hogy jó modellnek tűnt az emberi bőrpigmentáció tanulmányozásához is) (1. Ábra). Mint azt a hosszas klónozás eredménye kiderítette, a mutációt egy iontranszporter, a már említett SLC24A5 szekvenciájának megváltozása okozza, amely egy diszfunkcionális (és ezért még mRNS korában lebomló) fehérjét hoz létre. Maga az iontranszporter a sejt belsejében található, feltételezhetően a melanszómához tartozó membránokban mutatható ki, s a Ca²⁺ ionok bejutását segíti elő az említett sejtstruktúrába, illetve szerepe lehet a melanoszóma pH-jénak szabályozásában is. (Mivel ez a két esemény fontos a melanoszóma enzimjeinek működéséhez, könnyű levonni a következtetést, hogy mivel jár, ha a transzporter nem működik.)

Ami igen érdekes, hogy a mutációt ellensúlyozni lehet, nemcsak a normális zebrahal slc24a5 gén mRNS-ének a halembrióba való bejuttatásával, hanem a humán megfelelővel is, ami azt sugallja, hogy az emberekben a gén igen hasonló funkciókat tölthet be. Ez vezetett oda, hogy a kutatók az emberi genetikai állomány variációit feltérképező Hap-Map Project segítségével elkezdték vizsgálni, hogy van-e összefüggés a gén variációi és a bőrszín között. Egyetlen nukleotida különbséget fedeztek fel, amely a fehérje szinten egy aminosav (Ala->Thr) cseréjét okozta. Míg a 111. aminosavpozícióban levő ősibb alanint (Ala¹¹¹) kódoló szekvencia 93-100% arányban szerepelt az afrikai-, indián-, vagy kelet-ázsiai származású mintákban, addig az újkeletű threonint (Thr¹¹¹) kódoló DNS 98.7-100%-ban dominálta az európai genetikai állományokat.
Remélem ezen a ponton egy kicsit mindenki felkapta a fejét, hiszen a fent leírtak alapján ez nem lehet "A" bőrszín gén, hiszen az ősibb variáns jelen van a világosabb bőrű kelet-ázsiaiakban is. Való igaz (épp ezért igen bosszantó, újságírói slendriánság, hogy a főbb újságok és portálok már-már úgy aposztrofálták a hírt, mintha a bőrszínt kódoló egyetlen génről lenne szó), de nem is meglepő, hiszen a bőrszín tipikusan több gén által kódolt, ún. multigénes tulajdonság, nem véletlen hogy igen sok bőrszín árnyalat létezik. Az azonban bizonyítható, hogy az SLC24A5 polimorfizmusának köze van a bőrszínhez: összehasonlítva különböző populációkban a bőrszínárnyalatokat, egyértelműnek tűnik, hogy a sötétebb szín az ősi allélal van kapcsolatban. Sőt kis statisztikázással azt is kihozták a mintákból, hogy az iontranszporter gén polimorfizmusa, az európai-afrikai bőrszínkülönbség kb. 25-38%-áért felelős. Az azonban sajnos nem derül ki, hogy az említett emberi polimorfizmus milyen funkcionális következménnyel jár. Míg a zebrahal esetében egyértelmű, hogy a pigmentáció eltérést a mutáns esetében fehérjét kódoló mRNS gyors lebomlása okozza, addig az emberekben nincs ilyesmiről szó, csak egy kisebb szekvenciaeltéres figyelhető meg a különböző bőrszínű egyének esetében. Ez valószínűleg az SLC24A5 működésére van kihatással, de hogy pontosan mi történik az még a jövő zenéje.

---

[1] Harding RM, Healy E, Ray AJ, Ellis NS, Flanagan N, Todd C, Dixon C, Sajantila A, Jackson IJ, Birch-Machin MA, Rees JL. (2000) Evidence for variable selective pressures at MC1R. Am J Hum Genet. 66(4): 1351-1361. Epub 2000 Mar 24.
[2] Lamason RL, Mohideen MA, Mest JR, Wong AC, Norton HL, Aros MC, Jurynec MJ, Mao X, Humphreville VR, Humbert JE, Sinha S, Moore JL, Jagadeeswaran P, Zhao W, Ning G, Makalowska I, McKeigue PM, O'donnell D, Kittles R, Parra EJ, Mangini NJ, Grunwald DJ, Shriver MD, Canfield VA, Cheng KC. (2005) SLC24A5, a putative cation exchanger, affects pigmentation in zebrafish and humans. Science 310: 1782-1786.