A Hox- gének evolúciós szerepének áttekintése példákon keresztül

 

 

Barkóczi Judit

SZIE_ÁOTK alk. Zool. 

 

 

1. Az anatómusok korán rájöttek arra, hogy a gerincesek testfelépítése alapvetően azonos. A hasonlóság különösen szembetűnő az embrionális fejlődés korai szakaszában.

Geoffroy Saint- Hilaire azt állította, hogy az összes állat testfelépítése visszavezethető egyetlen közös "tervrajzra". Van elejük és végük, jobb és bal oldaluk, hasuk és hátuk. A különbségek a részletekben vannak. Például a rovarok idegkötege a hasi, a gerinceseké a háti tájékon fut, ezért Saint-Hilaire úgy gondolta, hogy a gerincesek tulajdonképpen hanyatt fordított rovarok!(1.kép)

 

Az eredeti, ős tervrajz jobban megérthető az egyedfejlődés legkorábbi szakaszának vizsgálatával. A gyümölcsmuslica teste pl. 3 fő részből áll (fej, tor, potroh). A muslica embrióban azonban nem három, hanem 16 egyenlő méretű szegmens jelenik meg először, és ezek összeolvadásából alakul ki a végső forma.

Kezdetben úgy vélték, hogy ilyen bonyolult változásokat sok, esetleg több száz gén képes csak szabályozni.

Az 1940-es években azonban Edward B. Lewis talált egy furcsa Drosophila mutánst, amelyben az egyik torszelvény megkettőződött, és ezzel egy párral több szárnya fejlődött ki. Hasonló mutánsok izolálása egyértelművé tette, hogy az alapvető testfelépítés szabályozása viszonylag kevés számú génre vezethető vissza.

Az 1970-es évek végén két német biológus, Christiane Nüsslein-Volhard és Eric F. Wieschaus szekvenálta azokat a géneket, amelyek a muslica testfelépítését szabályozzák. A szabályozó génekben kimutattak egy 180 bázis hosszúságú szakaszt, amelyik az összes ilyen génben szinte tökéletesen megegyezik. A szakasz terméke, egy 60 aminosavból álló fehérje képes a DNS-hez kötődni, és ezzel be tudja indítani, illetve le tudja állítani a transzkripciót. A homeoboxnak elnevezett génekről kiderült, hogy alapvető szerepük van a sejtek sorsának, és ezzel a szervek, szervezet fejlődésének meghatározásában.

 

2. A Kaliforniai Egyetem (San Diego, UCSD) kutatói fölfedezték az első olyan géneket, amelyek megmagyarázzák, hogy az állatok evolúciója során miként következhettek be lényegi, nagy léptékű (makroevolúciós) változások a test felépítésében. A kutatók a sóféreg (Artemia) és az ecetmuslica (Drosophila) példáján mutatják meg, hogy az embrionális fejlődést szabályozó gének mutációja hogyan tehette lehetővé mintegy 400 millió éve, hogy a testük minden - kivéve a fej első és a potroh utolsó - szelvényén végtagokkal bíró rákszerű vízi ízeltlábúak (Arthropoda) gyökeresen eltérő testfelépítésű, szárazföldön élő, hatlábú rovarokká (Insecta) alakuljanak át. (2.kép)

Kísérletekkel igazolták, hogy például a végtagok száma és eloszlása gyökeresen megváltozhat, ha a fejlődést szabályozó (regulátor) gének, Hox néven ismert osztályában  (amelyek az embrionális fejlődés során a szerkezeti gének működését bekapcsolják, vagy elfojtják) viszonylag egyszerű kis módosulás következik be. Laboratóriumi ecetmuslicák és a sóféreg (Artemia sp.) nevű csupasz levéllábú rák fejlődését tanulmányozva, a kutatók megmutatták, hogy a Hox gének egyikének, az úgynevezett Ubx génnek - amely az ecetmuslicákban a torhoz kapcsolódó végtagok fejlődését 100 százalékban, a sóféregben viszont csupán 15 százalékban képes elfojtani - viszonylag egyszerű kis mutációja

 

 

hogyan vezethetett oda, hogy 400 millió évvel ezelőtt a minden testszelvényén végtagokat hordozó sóféreg elveszítse hátulsó lábait, és a hatlábú rovarokhoz hasonlóvá fejlődjön.

"A Hox gének nagyon sok más gén működését irányítják, és ezen keresztül szabályozzák a bonyolult testalkat kialakulását ” (Ronshaugen). Sikerült kimutatni, hogy e gének kis megváltozása úgy módosítja a többi génre gyakorolt hatást, hogy a mutáció megváltoztatja a gén által kódolt fehérje hatásmechanizmusát. "A változás odáig terjedhet, hogy a módosult fehérje képes olyan géneket is kikapcsolni, amelyeket korábban nem"  (William McGinnis).

 Ugyanolyan Hox gének, amelyek például az ecetmuslicák fejlődése közben a fej, a potroh és a tor elhelyezkedését szabályozzák, általánosabb körben - valamennyi állatban, sőt emberben is - működnek. A rovarok kialakulása előtt az Ubx fehérjéje nem kapcsolhatta ki a lábak kialakulásában szerepet játszó géneket. A rovarok kifejlődéséhez az vezetett, hogy az Ubx gén és az általa kódolt fehérje úgy változott meg, hogy képessé vált a potrohszelvényekhez kapcsolódó lábak kifejlődésében szerepet játszó gének működésének elfojtására. Összehasonlítva ezt a gént más rokon génekkel, felismerhető, hogy a bázisszekvenciák bizonyos területeit megosztják egymással, ami azt jelzi, hogy azok működése is hasonló lehet. Ez megalapozza azt a feltételezést, hogy nem csupán ez a gén, hanem nagyon sok hozzá hasonló rokon gén működhet a különféle fajokban. ( 6.kép)

 

3. Több mint egy évszázados gyakorlat szerint, a tudósok a fő morfológiai jegyeik alapján sorolják fejlődéstani rendszerbe az állatvilág képviselőit. A test felépítése határozza meg az illető csoport helyét az állatok birodalmában. Az utóbbi néhány évben azonban a molekuláris biológiával foglalkozó tudósok olyan törzsfát ajánlanak, amely a génekben kimutatható hasonlóságokra és különbségekre épül. Ennek eredményeképp feltárulnak az állatok között meglévő valódi leszármazási kapcsolatok, s az elmúlt négy-öt évben ez a törzsfa alapos átalakulásához vezetett. Az új genetikai bizonyítékok azt sugallják, hogy az állatvilág fejlődésének útján három elsődleges elágazás van. Körülbelül 540 millió évvel ezelőtt egy közös ősből indult el az a fejlődési vonal, amelyből – a medúzák és a szivacsok kivételével – szinte az összes ma élő állat kialakult.
A tanulmány az úgynevezett Hox gének vizsgáltán alapult, amelyet három különböző állatcsoportnál tanulmányoztak: egy szelvényezetlen tengeri féregnél, egy ma már viszonylag ritka tengeri állatcsoport, a pörgekarúak (Brachiopoda) egyik képviselőjénél, és egy gyűrűsféregnél. A Hox gének egy olyan „szerszámosládát” tartalmaznak, amelynek alapvetően fontos szerepe van az egyedfejlődés menetében. Ezeknek a szerszámoknak – szervező géneknek – a működése teszi lehetővé, hogy a sejtek különböző testrészekké szerveződjenek, és egyebek között olyan alapvető dolgokat határoznak meg, mint a végtagok, szárnyak és egyéb függelékek száma és elhelyezkedése.

Az amerikai, a francia, az angol és az orosz kutatók egybehangzóan állítják: annak köszönhetően, hogy lényegében ugyanazokat a szervező géneket találták meg látszólag egymástól igen távol álló állatokban, igen messzire tudnak visszatekinteni az időben és következtetni tudnak arra, hogy milyen testszervező gének voltak e csoportok közös ősében. Ezzel az állati evolúció korai történetének egy fontos elágazási pontját vélik megtalálni.

 

 

Adataik arra utalnak, hogy már a legősibb állatok genetikai „szerszámosládája” is nagyon kifinomult volt.

Az egyik lehetséges módszer arra, hogy néhány gén múltbeli létezését kimutassuk a fosszíliák vizsgálata. A megkövült ősmaradványok híven tükrözik az állat testfelépítését, és ebből következtethetünk bizonyos gének jelenlétére vagy hiányára. A fosszilis állatok ma élő leszármazottainak génjeit vizsgálva azt is meg tudjuk határozni, milyen kritikus gének működtek néhány száz millió évvel ezelőtt.
A vizsgálatba bevont állatok Hox génjeit igen hasonlónak találták annak ellenére, hogy az állatvilág nagyon különböző csoportjait képviselték. A hasonlóság, persze, nem tökéletes, apró, de nem jelentéktelen eltérések előfordultak. Ezek egyértelműen annak következményei, hogy a 600 millió évvel ezelőtt élt közös őstől örökölt géneket hordozó csoportok később igen különböző irányokba fejlődtek tovább. (3. 4. kép)

4.  Kígyó

Az egyes végtagok pozícióját a gerincesek testének hosszanti felosztásában kulcsszerepet játszó homeobox (hox) gének kombinációja határozza meg. Például a mellső végtagok a hoxc6 gén expressziós területének kezdete előtt találhatók. 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, melyek elindítják a „végtagbimbók” (limb buds) növekedését. Ezekben a végtag-kezdeményekben további bonyolult felosztási folyamatok játszódnak le. 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.

Az első 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. 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 (mellső végtag hiánya).

A hátsó végtag tekintetében 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. 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, amelyet sokan egy átmeneti láncszemnek tekintenek a kígyók négylábú, gyíkszerű őse és a mai kígyók között. (Az még 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 az shh gén nem kapcsolódik be az alakuló hátsó végtag ZPA területén. Ennek következtében természetesen az általa irányított folyamatok sem kezdődnek el, így a boáknak nem lesz rendes lába. 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.(7.kép)

A többi kígyónál mivel egyáltalán nincs hátsóvégtag-kezdemény, sokan azt valószínűsítik, hogy ennek szintén a Hox-kód változása az oka.

Az még szintén kérdés, hogy hasonló változások vezettek-e a lábatlan gyíkok végtagjainak eltűnéséhez, vagy netán a végtagkialakulási folyamat más pontjain következtek-e be változások?

 

5. Az egérnek és a Drosophilának sok közös HOX  génje van, ami már az ízeltlábúak és a  gerincesek közös ősében is jelen volt. Az egérben génduplikációknak és mutációknak  köszönhetően több HOX géncsalád van. A kromoszómán ezek a gének egymás után, egyetlen komplexet alkotva helyezkednek el. A Drosophila egyetlen, 8 tagból álló homeotikus  génkomplex-szel bír, míg az emberben 4 komplex van   – összesen 39 génnel – a 2, 7,12, és a 17   kromoszómán. Ezek a gének a test anterior-posterior (elülső-hátulsó)irányú szerveződését irányítják. (5.kép)

 

 

6. Tény, hogy a gének funkciója hosszú idő óta változatlan, amit például azok a kísérletek is bizonyítanak, amelyek során nagyon távoli fajok (ecetmuslica és egér) homológ génjeit cserélték ki, és a kicserélt gének tökéletesen el tudták látni a feladatukat a másik élőlényben. Létezik néhány kivételt erősítő szabály. Nagy rendszertani egységek között különbséget találtak bizonyos egyedfejlődésben szerepet játszó gének szerkezetében. Egyetlen példát említve: a Quox-1 gén, ami egy I-es típusú Hox gén-féleség, nagyon konzervatív a gerincesekben. A madaraknál azonban egy új domén beépülésével megváltozott a gén funkciója: a gerincoszlop elülső-hátulsó irányú fejlődésének irányítása helyett a központi idegrendszer kialakulásában lett szerepe. Az ilyenfajta genetikai változatosság azonban csak makroevolúciós jelentőséggel bír, s nem játszik szerepet az egy populáción belüli sokféleség kialakításában.

 

 

John Fondon és Harold Garner (2004) a kutyafajták két, az egyedfejlődésben szerepet játszó génjének összehasonlítása során azonban potenciálisan mikroevolúciós jelentőséggel bíró genetikai polimorfizmusról számoltak be. A kutatók a vizsgált gének kódoló szakaszaiban eltérő számú ismétlődő DNS-szekvenciákat találtak, amiből azt a következtetést vonták le, hogy a kutyafajták tulajdonságait az ismétlődő DNS-szakaszok határozzák meg. Az oksági összefüggés azonban nem egyértelmű, s még ha igazak is az állítások, általános érvényességük kétséges.

 

A gének jelen funkciójukat egy fokozatos tökéletesítő szelekció során nyerték el. Ez a folyamat azonban, úgy tűnik, az élet fejlődésének korai szakaszában lezajlott, és jelentősége azóta csekély.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.kép

 

 

 

 

 

2.kép

A három vizsgált állat: egy soksertéjű gyűrűsféreg (Nereis virens),
egy előgyűrűsféreg (Priapulus caudatus)
és egy pörgekarú (Lyothyrella uva)

 

 

 

 

 

3.kép

Az állatvilág hagyományos, morfológiai alapokon nyugvó törzsfája

4.kép

Az állatvilág új törzsfája a genetikai vizsgálatok alapján

 

 

 

 

 

 

5.kép

 

A homeotikus gének összehasonlítása Drosophilában és egérben

 

 

6.kép

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

7.kép

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8.kép

 

    

 

A HOX gén expressziók hasonlóak mindkét állatban az anterior – posterior tengely mentén.

 

 

 

 

9.kép

 

 

Egy homeotikus fehérje DNS kötése

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Irodalomjegyzék

 

 

 

 

 

• Hoffmann Gy., Csoknya M.(2000): Fejlődésbiológia II.
• Cohn, M. J. and Tickle, C. (1999) Developmental basis of limblessness and axial regionalization in snakes. Nature 399: 474-479.
• Soichi Ogishima, Hiroshi Tanaka(1996):  Missing link in the evolution of Hox clusters. Gene Volume 387, Issues 1-2
• Chris T. Amemiya and Günter P. Wagner (2006)Animal Evolution: When Did the ‘Hox System’ Arise? Current biology Volume 16, Issues 14.
• internet