Az örökítő anyag

Az evolúciós elméletek központi kérdése, hogy új tulajdonságok hogyan jöhetnek létre. Az evolúcióról alkotott nézetek fejlődése szorosan kapcsolódik a genetikai tudomány eredményeihez. A következőkben röviden áttekintjük, hogy milyen az örökítő anyag szerkezete, hogyan és milyen mértékben változhat meg a genom.

A DNS szerkezete

A genetikai információt eukariotákban a DNS molekula bázissorrendje hordozza. A DNS rendszerint két egymást kiegészítő (komplementer) láncból áll, amelyek egy jobbra csavarodó spirált alkotnak.

A DNS molekula gerincét általában két párhuzamosan futó, egymás körül felcsavarodott cukorfoszfát lánc képezi. A DNS lánc cukor és foszfát egységeit aszimmetrikus 5'-3' foszfodiészter kötések kapcsolják össze. Ennek megfelelően a DNS szál is polarizált: egyik végén a terminális nukleotid 5' szénatomján foszforil gyök, a másik végén a terminális nukleotid 3' szénatomján hidroxil gyök van. 

A két párhuzamos, de ellenkező irányban futó cukorfoszfát gerincen a cukorkomponensekhez négyféle bázis (A,T,G,C) kapcsolódik. A bázisok a kiegészítő lánc ellentett bázisai felé mutatnak, és az ellentett bázisokhoz hidrogénkötésekkel kapcsolódnak. A bázisok szerkezetéből adódóan az egyik láncon lévő A (adenin) a másik lánc T (timin)-jével két hidrogén kötéssel, a G (guanin) a C (citozin)-nal három hidrogén kötéssel kapcsolódik.

Az egyik lánc bázissorrendje ilyen módon meghatározza az ellentett lánc bázissorrendjét. Ha pl. az egyik láncon G-C-A-T-A a bázisok sorrendje, a másik láncon C-G-T-A-T lesz a bázisok sorrendje. Mivel a DNS láncban a cukorfoszfát gerinc alkotó elemei minden pontban azonosak és csak a bázisok sorrendjében van változás, a DNS molekulát a bázisok sorrendjével jellemezhetjük. Megegyezés szerint a bázisok sorrendjét a fehérjeszintézis irányával megegyezően, az 5' végtől a 3' vég felé haladva írják le.

A ribonukleinsav sav állhat egyetlen, vagy kettős láncból is. Az RNS-ben dezoxiribóz helyett ribóz, timin helyett uracil van. Megjegyezzük, hogy a felsorolt un. standard nukleotidok mellett az RNS egyéb, a transzkripció után módosított nukleotidokat is tartalmazhat.

A gén szerkezete

Régebben génnek a DNS molekulának azt a szakaszát nevezték, amely egy fehérje aminosavsorrendjét kódolta. Ez a meghatározás ma már nem tartható. Sok fehérjemolekula pl. több polipeptidből épül föl, és az ezeket a polipeptideket kódoló bázisszekvenciák gyakran egymástól távoli helyeken vannak a DNS molekulán. Az emberi hemoglobin molekula kétféle polipeptidből áll össze, és az ezeket kódoló DNS szakaszok nem egymás mellett vannak. Gének helyett ezért gyakran cisztronokról beszélünk, egy cisztron egy funkcionális polipeptid láncot kódol.

Az eredeti gén definíciót azért is módosítani kellett, mert az újabb kutatások alapján kiderült, hogy a DNS láncnak csak egy kis része kódol fehérjéket, más szakaszok egyéb funkciókat, pl. szabályozást láthatnak el. Ezeken kívül sok olyan DNS szakasz van, aminek a funkcióját, ha van egyáltalán, nem ismerjük. Mindezek következtében a régi egyszerű meghatározás "egy gén - egy fehérje" ma már nem elfogadható.

Jelenleg háromféle gént különböztetünk meg: (1) proteint kódoló gének, amelyek átíródnak RNS molekulába és ezután fehérjébe, (2) RNS-t meghatározó gének, amelyek csak RNS-be íródnak át és (3) szabályozó gének. Természetesen szabályozó funkciója lehet a fehérjére vagy RNS-re átíródó géneknek is, azonban a meghatározás szűk értelmezése szerint ezeket az első illetve második kategóriába soroljuk. A fehérjét kódoló géneket szokás strukturális géneknek is nevezni, vannak akik az RNS-t kódoló géneket is a struktúr génekhez sorolják.

Proteint kódoló gének

Az eukarióta gének egyes szakaszai átíródnak RNS bázissorrendbe, más szakaszai nem íródnak át. Nem íródnak át a fehérjét kódoló szakasz két oldalán lévő szárny-szekvenciák (flanking sequence). Az 5' végen lévő un. 5' flanking sequence számos olyan jelet (specifikus bázisszekvenciát) tartalmaz, amely a transzkripció kezdetét, sebességét és időzítését határozza meg. Mivel ezek a szabályozó szekvenciák elősegítik a transzkripciót, ezeket promótereknek is nevezik, azt a környéket ahol helyet foglalnak pedig promóter régiónak.

 A promóter régiók a következő jeleket tartalmazzák: a TATA box, amely a transzkripció kezdőpontjától 19-27 bázispár (bp) távolságra van felfelé, a CAAT box, amely még följebb van, a GC box egy vagy több másolata, amely a GGGCGG szekvenciából, vagy ennek valamilyen variánsából áll. A CAAT és a GC box szabályozza a RNS polimeráz enzim kezdeti kötődését, a TATA box pedig az átírás kezdőpontját határozza meg. Megjegyezzük, hogy nem minden gén rendelkezik ezekkel a speciális szekvenciákkal. TATA box hiányában is lehet pl. átírás, de ennek ekkor nincs kitüntetett kezdőpontja. A 3' flanking régió tartalmazza az átírás végét jelző szekvenciákat, valamint egy poli-A hozzáadási szakaszt.

A fehérjét kódoló gének átírása a transzkripció - iniciációs helyen kezdődik és a terminációs helyen végződik, amely gyakran a poliadenizációs (poli-A addition site) szakasznak felel meg. A transzkripció azonban sok gén esetében a poli-A szakasztól lefelé is folytatódhat. Az átírt RNS, amit gyakran pre-messenger RNS-nek (pre-mRNS) is neveznek, a fehérjét kódoló szakaszokon (exon) kívül közbeékelődő szekvenciákat is tartalmaz, amelyek nem fordítódnak át fehérjévé (intron). Az átírt intronok kihasítódnak az RNS molekulából a fehérjeszintézis megkezdése előtt. Az érett, tehát intronjaitól megfosztott mRNS molekula genomikus szekvenciái mind exonok. Azok az exonok, illetve az exonnak azon részei amelyek lefordítódnak az un. fehérjét kódoló exonok, vagy egyszerűbben a kódoló régiók.

 Sokféle intron van, a típusok a kihasítás mechanizmusával jellemezhetőek. Populációgenetikai, evolúciógenetikai szempontból a legfontosabbak azok az intronok, amelyeket az RNS polimeráz II. enzim távolít el. A hasítás helyeit minden valószínűség szerint azok a nukleotidok határozzák meg, amelyek az intron 5' végén (donor sites) illetve 3' végén (acceptor sites) vannak. Minden eukariota nukleáris (tehát a sejtmagban lévő) lévő intronja GT-vel kezdődik és AG-vel végződik (ez a GT-AG szabály). Ezen túl, minden intronnak része egy TACTAAC box (vagy ennek valamilyen változata), az intron 3' végétől kb. 30 bázis távolságra. A vágás első lépéseként elhasad a 5' vég hasítási helye, és egy foszfodieszter kötés keletkezik az intron 5' végénél lévő G és a TACTAAC box 6. helyén lévő A között. Ezt követően a 3' hasítási hely is felszakad, és a két exon összekapcsolódik.

RNS-t kódoló gének

 Az RNS-t kódoló gének szerkezete eukariotákban és prokariotákban hasonló. Általában nem tartalmaznak intront. Az RNS molekulák egy része módosuláson megy át a transzkripciót követően.

Szabályozó gének

 A szabályozó génekről elsősorban azt tudjuk, hogy rendkívül fontosak. Szerkezetük, működésük kevésbé ismert. Az eddig leírt legfontosabb géncsaládok: (1) replikátor gének, amelyek a DNS replikáció kezdetét és végét jelzik, (2) a rekombinátor gének, amelyek a rekombinációs enzimek számára nyújtanak specifikusan felismerhető helyeket, (3) a szegregátor gének, amelyek a szegregációs mechanizmus számára szolgáltatnak kötődési helyeket meiosis és mitosis során, és (4) a kötődési helyek, amelyekhez hormonok, fehérjék és egyéb molekulák kapcsolódnak. Ezeken kívül még nagyon sokféle szabályozó gén létezhet.

A genetikai kód

 A fehérjét kódoló génekben a bázisok sorrendje hordozza azt az információt, amely meghatározza a fehérje aminosav sorrendjét a fehérjeszintézis során. A fehérjeszintézis első lépéseként a DNS molekula megfelelő szakaszáról RNS másolat készül (transcription). A transzkripció meghatározott helyen kezdődik és egészen egy "stop" jelig halad.

 A genetikai információ lefordítása (translation) aminosavsorrenddé az érési folyamaton átment, tehát intronjaitól megszabadított mRNS molekuláról történik a riboszómák felületén. A legtöbb eukariotában a fehérjeszintézis egy metionin aminosavval kezdődik.

 Az írott nyelvvel összehasonlítva azt mondhatjuk, hogy az információ legkisebb eleme, a betű, a DNS egy-egy bázisának felel meg (A,C,T,G), a legkisebb értelmes egység, a szó, pedig három bázisból áll. A három, egymásután következő bázist együttesen kodonnak nevezik, egy kodon a fehérjét kódoló génben egy aminosavat kódol.

 A kodonok és aminosavak közötti megfeleltetés szabályait együttesen genetikai kódnak nevezzük. A genetikai kód univerzális, azaz szinte minden eukariota nukleáris gén és szinte minden prokariota gén azonos szabályok szerint hordozza az információt.

Mivel összesen négyféle nukleotid van és egy kodon három nukleotidből áll, a lehetséges kombinációk száma 4³ = 64. Ez jóval több, mint a primer aminosavak száma, egy aminosavat így több kodon is kódolhat. A lehetséges 64 tripletből összesen 61 triplet kódol aminosavat, ezeket értelmes kodonnak (sense codon) is nevezik, a maradék három nem értelmezhető és a transzlációs folyamat végét jelzik (nonsense vagy stop codon).

A fehérjeszintézis kezdetét az AUG kodon jelzi, ami a metionin aminosavat határozza meg. A legtöbb eukarióta fehérje metioninnal kezdődik, amelyet a szintézis végeztével egy mechanizmus eltávolít.

 Az azonos aminosavat meghatározó kodonok (synonymous codons), többsége csak a triplet harmadik bázisában különböznek egymástól. Például a glycint kódoló tripletek mindegyikének első két pozíciójában GG áll, és csak a harmadik helyen van eltérés közöttük (U, C, A vagy G). Mivel a DNS "szavait" nem választja el szóköz, az információ teljesen értelmét veszítheti, ha az átírás egy-két bázissal elcsúszva történik.

Az univerzális kódtól néhány pontban különböző kódot találunk a mitokondriumban.

A genetikai anyag fizikai szerveződése

A DNS lánc hosszú és sérülékeny. Védelmét, osztódáskor az utódsejtekbe való szabályozott átjutását valamint az átírást fizikai szerveződése biztosítja. A prokarióta sejtek (baktériumok és cianobaktériumok) DNS molekulájának mérete viszonylag kicsi, mindössze néhány millió bázispár hosszúságú. Ezekben az organizmusokban a DNS-hez csak kevés fehérje kapcsolódik és valódi sejtmag hiányában, membrán sem védi az örökítő anyagot. A DNS egyetlen körré kapcsolódik, amely többszörösen összecsavart, némileg kondenzált formában van a sejtben (prokarióta kromoszóma). Bár a prokariota kromoszóma elektronmikroszkóppal láthatóvá tehető, a baktériumok örökítő anyaga sohasem kondenzálódik olyan fénymikroszkóppal is látható testekké mint az eukarioták örökítő anyaga, amelyről a kromoszóma ("színes test") eredetileg a nevét kapta. A kromoszómán kívül a legtöbb baktérium, élesztő (sőt valószínűleg a gerincesek sejtjei is) tartalmaznak egyéb genetikai információt, kicsi, körkörös DNS molekulák, un. plasmidok formájában. A plasmidok nem részei a kromoszómának, de gyakran a baktérium számára fontos tulajdonságokat, pl. gyógyszerekkel szembeni ellenállóképességet kódolnak. A plazmidokat sokan különálló organizmusok leszármazottjainak tekintik, amelyek a baktérium belsejében mint szimbionták élnek. A plasmidok a baktérium egyedek között -néha különböző fajokhoz tartozó egyedek között is- kicserélődhetnek konjugáció során. A plasmidok a baktériumon kívül, önálló szaporodásra nem képesek.

A vírusok nukleinsava (ez lehet DNS vagy RNS) sem képes önálló reprodukcióra. A másolást a fertőzött baktérium vagy eukarióta sejt végzi.

Körkörösen szerveződött, ősi jellegű DNS az eukariota sejtekben is található. Ilyen, saját örökítő anyaga van a mitochondriumnak és a növények plastidjainak, mint pl. a kloroplasztnak. Ma már elfogadott elmélet szerint a mitokondriumok valamikor önálló életet élő baktériumok leszármazottainak tekinthetők. A szimbionta eredetű sejtszervek tették lehetővé a ma ismert állati és növényi létforma kialakulását. A mitokondriumok a sejten belül önálló szaporodásra képesek, osztódáskor az utódsejtekbe továbbjutnak. Megtalálhatók az eukarióták ivarsejtjeiben is, azonban a hímivarsejtek mitokondriumai nem kerülnek át a zigótába. Ivaros szaporodás esetén tehát az eukarióta szervezetek minden (vagy óvatosabban fogalmazva, szinte minden) mitokondriális DNS-t anyai ágon örökölnek. A mitochondriális DNS szerkezetének vizsgálata ezért rendkívül informatív az anyai leszármazási ágakat kutató genetikusok számára.

Az eukarióta sejtek magja a prokariótákhoz képest több nagyságrenddel hosszabb DNS láncokat tartalmaz. Az ember egy testi sejtjében pl. 2000 -szer több DNS van, mint egy átlagos baktériumban. Szemléletessé a különbség egy gondolatkísérlettel tehető: ha a DNS-t mint folytonos cérnát kihúznánk egy baktériumból, kb. másfél mm hosszú szálat kapnánk, szemben az emberi sejtből kihúzható 2 m-es "cérnával". Egy ilyen hosszúságú molekula lánc meghatározott szakaszait fölismerni, működését szabályozni, másolni, a sejt osztódásakor kétfelé osztani nem lenne képes a sejt, ha a sejtmag kicsi terében a lánc strukturálatlanul, "összegubancolódva" helyezkedne el.

Az interfázisban lévő eukarióta sejt örökítő anyagának strukturális felépítése (kromatin) fénymikroszkóppal nem látható. A DNS molekula kisebb szakaszai un. hisztonfehérjék köré csavarodnak fel, és ezeket, mint gyöngyöket a láncban, fel nem csavarodott szakaszok választják el. Sejtosztódás előtt a DNS megkettőződik és a hozzá kapcsolódó fehérjékkel együtt további szabályozott felcsavarodással kondenzálódik. Így jönnek létre a fénymikroszkóppal is látható pálcika alakú kromoszómák, amelyek az örökítő anyagot két példányban, két kromatidában tartalmazzák. A kromatidákat a centromeron kapcsolja össze.

A kromoszómák mérete és alakja fajon belül állandó és a fajra jellemző. A kromoszómák festéssel tehetők láthatóvá, egyes szakaszai erősen festődnek (heterokromatin), más részei kevés festéket vesznek fel (eukromatin). Újabb festési technikák alkalmazása kimutatta, hogy az eukromatin régió maga is heterogén és számos nagyobb, különféleképpen festődő csíkokba osztható. A csíkok bizonyos bázisok túlsúlyát jelzik a szekvenciában

A kromoszómák legegyszerűbben a centromeron elhelyezkedése alapján azonosíthatóak: a metacentrikus kromoszómán a centromeron nagyjából a kromoszóma közepén, az akrocentrikus kromoszómán az egyik véghez közelebb, a telocentrikus kromoszómán közvetlenül a végen helyezkedik el. 

A kromoszómák száma fajra jellemző, és rendkívül nagy változatosságot mutat: a Parascaris  féreg egyetlen kromoszómájától az ember 23 kromoszómáján keresztül az Eupagurus hermita rák 127 db. kromoszómájáig. A rokonfajok kromoszóma száma többnyire nem mutat nagy eltérést, bár ebben is vannak kivételek. A muntják szarvas két alfaja pl. jelentősen különbözik: a diploid kromoszómaszáma az indiai muntják (Muntiacus muntjac vaginalis) hímjének 2n = 7, nőstényének 2n = 6, szemben a kínai muntjákszarvassal (M. reevesi), amelynek kromoszómaszáma 2n = 46.