Evolúcióbiológia beadandó
Gondolatok a mérgeskígyók méreg-apparátusának, és mérgének(elsősorban
a Foszfolipáz A2) az evolúciós változásaihoz
Varga János
harmadéves zoológustan hallgató
2008-01-04
Nagyjából 100 millió évvel ezelőtt jelent meg a kígyók evolúciója során
a Caenophidia nevű csoport, melynek tagjai méreg-apparátussal rendelkeznek.
Ez a rendszer, és az általa termelt méreg akárcsak a kígyók egyéb morfológiai
jegyei, folyamatosan változott az idők során, így ha meg akarjuk ismerni
a kígyók ezen csoportjának a törzsfejlődését, érdemes a mérget, és az
ennek célba juttatásához szükséges berendezést is alaposabban tanulmányozni.
Ebben a munkában bemutatom, hogy milyen alapvető különbségek vannak az
egyes ma is élő csoportokon belül, és hogy ezeket a különbségeket miként
használhatjuk fel a mai fajok rendszerezésében. Azért választottam ezt
a témát, mivel régóta érdekel az állatvilág eme különleges csoportja,
és a szakdolgozatomat kígyómérgek (egészen pontosan a Foszfolipáz A2)
vizsgálatából szándékozom készíteni. A beadandót alapvetően 3 cikk elemzésére
építettem. Ebből kettő a foszfolipáz A2 (továbbiakban PLA2- nek rövidítve)
evolúciójával (1) és kimutatásával (2), egy pedig a méregapparátus változásával
(3) foglalkozik.
A méreg elemzésekor elsősorban a három ujjas toxinokat, kobra méreg faktort,
CRISP, hyaluronidáz, kallikrein, kunitz, lectin, mátrix metalloproteáz,
PLA2, kígyóméreg metalloproteáz/ADAM és waprin nevű összetevőket vizsgálták.
Ezek közül én kiemelten csak a PLA2- ről szeretnék írni. Ezen kívül a
méregapparátuson is végeztek morfológiai szövettani és mag mágneses rezonancián
alapuló vizsgálatokat. Az eredmények azt mutatják, hogy az ilyen irányú
vizsgálatok nagyban hozzájárulnak a kígyók törzsfejlődését, rendszertanának
a felderítéséhez.
A mérgeskígyókon belül alapvetően elkülöníthetünk két nagy csoportot:
Az elöl méregfogas kígyókat, és a hátul méregfogas („nem elől méregfogas”)
kígyókat (Fontos megemlíteni, hogy ez utóbbi csoportba sorolta a méregfoggal
nem, de részben elcsökevényesedett, visszafejlődött méregmiriggyel rendelkező
kígyókat is Pl.: csigaevő siklók, gabonasikló ). Mind a két csoportot
monofiletikus csoportként tartották számon, de mint kiderült az utóbbi
egyértelműen parafiletikus csoport (amint azt már korábban is sejtették,
hiszen ebbe a csoportot szinte kizárólag a méregfog helyeződésére alapozva
hozták létre). Az előlméregfogas kígyókat 3 nagy csoportra lehet osztani,
amik egy közös őstől származnak, és ahol mindegyik csoportban egymástól
függetlenül alakult ki a méregapparátus: Atractaspis, mérgessiklók, viperák.
Meglepő továbbá az is, hogy bár a viperák apparátusát tekintik a fejlődés
csúcsának, az jóval hamarabb alakult ki, tehát ősibb, mint a mérgessiklóké.
A hátsóméregfogas kígyók mirigyét a tudomány Duvernoy mirigynek nevezi,
megkülönböztetésül az előlméregfogasok méregmirigyétől, bár mivel ez utóbbi
a Duvernoy mirigyből fejlődött ki, ennek nincs is nagyon értelme. Magáról
a méregről szintén keveset tudunk. A kutatások főleg az emberre is potenciálisan
veszélyes méreggel rendelkező fajokra terjedtek ki, így nem kis meglepetést
okozott amikor például a mérgessiklókra jellemző 3 ujjas proteint találtak
Coelognathus radiatus nyálában (Hátsó méregfogasokhoz sorolható). A méreganyagok
többsége normál testi fehérjékből pl.: emésztőenzimekből jött létre génduplikáció
útján, és a funkcióért felelős rész mutációja következtében toxikusak
lettek. Erről részletesebben a PLA2 bemutatásánál szeretnék írni. Az evolúció
során olyan nagyfokú változatosságra tettek szert, hogy multigén családok
jöttek létre.
A 3. cikkben egy nagyon átfogó vizsgálatot végeztek, melynek során morfológiai,
hisztológiai, molekuláris biológiai, és magmágneses rezonancián alapuló
módszereket is felhasználtak. A vizsgálatok során 107 reprezentatív fajt
vizsgáltak meg, ami nagyjából felölelte az egész Caenophidia csoportot.
A morfológiai vizsgálatok során elsősorban a mirigyek méretét, elhelyezkedését,
a hozzá kapcsolódó izmokat, a mérget elvezető csatornát, és a fogakat
nézték meg. Mag mágneses rezonancián alapuló vizsgálatok során három dimenziós
képet készítettek a mirigyek belső felépítéséről, míg molekuláris biológiai
vizsgálatoknál a toxinok aminosav szekvenciáinak összehasonlításával molekuláris
törzsfákat készítettek, és elkészítették egyes toxinok három dimenziós
modelljét is.
A beadandóban főleg a méregapparátus változatossága terén tett megfigyeléseket
szeretném bemutatni, a méregalkotó proteinek közül a Foszfolipáz A2-t
szeretném kiemelni és azt részletesen bemutatni. A többi komponensről
csak 1-1 fontosabb észrevételt szeretnék elmondani.
A maxillán lévő fogak vizsgálata során 5 nagy csoportot különítettek el:
1.típus sima felszínű fog, amiben nincs csatorna, 2.típus: alacsony barázda
a fog felszínén, amiben nincs csatorna, 3. típus: mély barázda, ami a
fog teljes hosszában végig fut, 4. típus: mély barázda, ami a fog felső
részén rejtve van (csatorna alakul ki), 5. típus: csöves méregfog. Az
elől méregfogas kígyók mindhárom csoportját az 5- ös típushoz sorolták,
és az első 4 típusba kizárólag nem elől méregfogasakat helyeztek. Ez azért
is érdekes számomra, mivel ismereteim szerint a barázdás méregfogasokra
a mérgessiklókat (kobrák, mambák) szokták felhozni, míg a csöves méregfogasokhoz
a viperák és csörgőkígyók tartoznak. További érdekesség számomra, hogy
a cikk nem beszél a méregfogak mozgathatóságáról, ami szintén a viperák
és csörgőkígyók sajátossága. A fogak relatív hossza és falvastagsága is
kisebb változatosságot mutatott az elől méregfogas kígyóknál.
A szövettani vizsgálatok során a mucinózus és szerózusos sejteket nézték,
és ezen a téren is nagyobb változatosságot figyeltek meg a nem elől méregfogas
kígyóknál.
A legnagyobb fokú változatosságot a méregmirigy és a méregfog egymáshoz
viszonyított elhelyezkedésénél lehetett megfigyelni. Disznóorrú siklóknál
(Heterodon) figyelték meg, hogy a vezeték nyílása nem a fogba, hanem szabadon
a szájba nyílik. Voltak olyan nem elől méregfogasok is, ahol már a vezeték
a fog tövében nyílt, ám nem volt meg a vezeték tágulata. A hátsó méregfogasaknál
leggyakrabban megfigyelhető struktúra az volt, amikor ez az első két eset
kombinálódott, és mind a foghoz, mind attól kicsit távolabb megfigyelhető
volt 1 kivezető nyílás. Néhány esetben másodlagos méregcsatorna is kialakult.
Az elől méregfogas kígyókról itt sem ír sokat a cikk. Azoknál a méreg
elvezető csatorna a méregfogak felszínén lévő vájatba (mérgessiklók),
vagy a méregfogban lévő csatornába (viperák, csörgőkígyók) vezeti a mérget.
Amennyiben egy oldalon több méregfog is van, a fiatalabb fogak tövénél
a barázdát, vagy csatornát egy membrán zárja le, így a méreg mindig csak
az aktív fogba kerül.
A méregmirigyek izomzatának vizsgálata során is a hátsó méregfogas kígyóknál
figyeltek meg nagyobb változatosságot. Mindhárom csoportban jól fejlett
izomzat alakult ki a méregmirigyek működtetéséhez. A másik nagy csoportban
a méregmirigyek közel helyezkednek a foghoz, ezek a kígyók rágó mozdulatokkal
juttatják mérgüket a zsákmányba, ezért ne mis alakult ki fejlett izomzat.
Egyetlen kivétel van csupán, a Boomslang (Dispholidus typhus), aminél
a fejlett izomzaton kívül sok más érdekesség is megfigyelhető. Szokatlanul
erős méreggel rendelkezik, feje rövidebb, mint a többi kígyóé, ebből kifolyólag
az emberre veszélyes fajok közé sorolják.
Voltak csoportok, amelyeknél a méregapparátus másodlagos redukálódása
volt megfigyelhető. Ezek főként olyan fajok voltak, amelyek visszatértek
a fojtással történő zsákmányejtésre pl.: Gabonasikló (Pituophis guttatus),
vagy olyan táplálék fogyasztására tértek át, aminek elejtéséhez nincs
szükség méregre pl.: afrikai tojásevő kígyók (Dasypeltis scabra), csigaevő
kígyók (Dipsadidae).
Az elől méregfogas kígyók mindhárom csoportjánál vannak olyan fajok, csoportok,
amiknél a méregmirigy jelentős megnagyobbodása tapasztalható. Ilyenkor
a méregmirigy test első negyedéig is hátranyúlhat, ugyanakkor a méregösszetételben
nem figyelhető meg jelentős változás.
Ezen kiragadott példák is jól szemléltetik, hogy a méregapparátus átfogó
vizsgálata jól tükrözi a mérges kígyók sokféleségét, diverzitását, így
további vizsgálatok nagyban elősegíthetik a kígyók törzsfejlődésének,
rendszertanának a megismerését.
A méreggel ölő kígyók néhány 100 faja nem csupán morfológiában, hanem
az általuk termelt méreg összetételében is különbözik. Ebből kifolyólag
a méreg vizsgálata új távlatokat nyit a mérges kígyók evolúciójának megismerésében.
A beadandóm második felében a Foszfolipáz A2 (PLA2) nevű komponensről
szeretnék részletesebben beszélni, ezen keresztül bemutatni a mérgek és
mérges kígyók evolúcióját. A PLA2 a kígyómérgek egyik legfőbb komponense.
Ugyanakkor az ember szervezetében is megtalálható zsírbontó enzim, amelyet
a hasnyálmirigy szintetizál. Hőstabil, Ca ion függő enzim, amely a trigliceridekben
a glicerin középső szén atomján lévő zsírsavat képes leszakítani, annak
hidrolízisét katalizálja. Ebből az emésztőenzimből alakultak ki a toxikus
hatású foszfolipázok, amik a legtöbb állati méregben megtalálhatók. Létrejöttüket
a génduplikáció jelenségével magyarázhatjuk. Ennek során az enzimet kódoló
génről egy kópia képződik, amelyen később mutáció következik be, és ha
ez a mutáció a protein funkcióját is meghatározó génrégióban, szekvenciarészben
történik, akkor új funkció alakulhat ki (pl.: valamilyen toxikus hatás)
Fontos megemlíteni, hogy a génduplikációt követheti a kópia törlése, vagy
amennyiben a kópia fixálódik, funkcióképtelen kópiák, vagy pseudogének
kialakulása is. Végeredményképpen így jöttek létre a multienzim családok.
A folyamat működését talán legjobban egy tengerikígyó fajon (Laticuadata
semifasciata) lehet megfigyelni, aminek hasnyálmikrigyében három olyan
enzimet izoláltak, ami átmenetet képez a nem mérgező és a toxikus formák
között, és ami génduplikációval jött létre. A megfigyelések alátámasztották
azt az elképzelést, mely szerint a méregmirigybe való bejutás, és toxikus
funkció kialakulása a fixálódás után történt. Fontos megemlíteni, hogy
a kígyómérgek nem csupán toxikus komponenseket hanem emésztőenzimeket
is tartalmaznak, így sok fajnál a zsákmány emésztése már a testen kívül
is megkezdődik. Tehát a PLA2 aminosav szekvenciája, és a génjének nukleotid
szekvenciája is folyamatosan változik a törzsfejlődés során, így molekuláris
törzsfák készítésére kiválóan alkalmas. Így ha a különböző fajok PLA2
génjeit megszekvenáljuk, a közöttük lévő hasonlóságok és eltérések elemzésével
következtethetünk a fajok közötti rokonsági fokra.
A vizsgálatok során a PLA2 toxinoknak 3 fő típusát sikerült elkülöníteni.
Az 1. típusba a mérgessiklókra (Elapidae), a 2. típusba a viperafélékre
(Viperidae), míg a 3. típusba az egyéb mérges állatokra (pl.:méhek, skorpiók)
jellemző PLA2-k tartoznak. Az első típusbaba tartozók szerkezete főleg
a pancreas által termelt enzimekre hasonlítanak, míg a viperafélék PLA2-i
a gyulladást kialakító enzimekre. A mérgessiklók mérge elsősorban neurotoxikus
(az idegrendszert támadja), míg a viperák mérge inkább hemolitikus hatású,
de vannak még myotoxikus, cardiotoxikus és véralvadásgátló és véralvadást
elősegítő hatások is.
Az 1. típusú PLA2 szekvenálásakor még további két csoportot sikerült elkülöníteni.
Sikerült jelentős különbséget találni az ausztrál mérgessiklók és a többi
kontinens mérgessiklóinak toxinja között. Itt fontos megemlítenem, hogy
a jelenlegi evolúciós elképzelések szerint az ausztrál mérgessiklók tengerikígyókból
alakulhattak ki, amik újra meghódították a szárazföldet. A halak megölésére
gyorsan ható méreg kell (máskülönben azok elúsznak, és a kígyó nem találja
meg), ez a szárazföldi fajoknál is megmaradt, ezért a legerősebb méreggel
rendelkező fajokat itt találjuk. A két csoporton belüli alcsoportokban
a mérgek élettani hatásai hasonlóak. Mindez azt sugallja, hogy a funkciók
sokféleségének kialakulása a fajok kialakulása után jött létre. Ezzel
szemben a 2. típusban (viperafélék) nem sikerült nagyobb csoportokat elkülöníteni.
Itt az egymással közel rokon fajok mérge között is nagy különbségek voltak
megfigyelhetők, ebből arra lehet következtetni, hogy a mérgek sokfélesége
még a fajok szétválása előtt kialakult. Ezt a feltételezést a cikk pontos
matematikai számításokkal is alátámasztotta, és ez adta az ötletet a (leendő)
szakdolgozati témámhoz.
Hazánkban a keresztes viperának két alfaja fordul elő: A törzsalak a Tiszaháton
és a Zemplénben, illetve a bosniensis a Somogyban és Zalában. Ez utóbbiról
csupán feltételezik, hogy a bosniensis alfajhoz tartozik. Morfológiai
bélyegei nagymértékben átfedést mutatnak a két alfaj között, ugyanakkor
teljesen egyedi sajátosságai is vannak (pl.: a nagyobbra növő fekete színváltozat),
tehát még az is lehet, hogy egy teljesen új alfajjal állunk szemben. Elméletileg
a két alfaj mérge jelentős mértékben eltér egymástól, bár ilyen irányban
kutatások még nem történtek. Csupán esetleírásokból tudjuk, hogy a somogyi
alfaj mérge inkább neurotoxikus hatású, míg az észak-keleti alfajé inkább
hemolitikus sajátságú. A különbségek elsősorban földtörténeti okokra vezethetők
vissza. A jégkorszak idején hazánkból kihaltak a viperák, majd ezt követően
az újbóli elterjedésük két irányból következett be,ily módon a két alfaj
között nagyon régóta állhat fenn földrajzi izoláció, ez okozza a különbségeket.
Amennyiben sikerülne kimutatni, hogy a két alfaj mérge is eltér egymástól,
talán itt is meg lehetne vizsgálni a fentebb említett jelenséget, miszerint
a méreg szerinti elkülönülés megelőzi a morfológiai bélyegek szerinti
szétválást.
Mint már azt fentebb említettem, a mérgek rengeteg komponensből állnak,
a főbb típusaikat felsoroltam. Az evolúció során ezeknek a toxinoknak
is rengeteg típusa, változata alakult ki, és alakul ki ma is (multienzim
családok). Az általam elemzett cikk ezek közül többnek a szerkezetére,
hatására is kitér. Én ezek közül emeltem ki egyet és mutattam be rajta
keresztül a toxinfehérjék evolúcióját. A többiről csak annyit szeretnék
megemlíteni, hogy a legnagyobb változatosságot az aminosav szekvenciában
a kallikreinnél, lectinnél, 3 ujjas toxinoknál, waprin és SVMP/ADAM toxinoknál
írtak le.
Az állati mérgek ,és a hozzá tartozó apparátus megismerése kulcsfontosságú,
nem csak azért, mert enélkül nem tudnánk hatékony ellenmérgeket előállítani,
hanem mert a belőlük kinyert hatóanyagokat a gyógyszergyártásban, sőtt
a mindennapi életben is felhasználjuk (a vízi mokasszinkígyó mérgéből
mosószert gyártanak).
Felhasznált cikkek:
• Foszfolipáz A2 kimutatásával kapcsolatos kísérlet:
Link: http://www.worthington-biochem.com/pla/default (1.cikk)
• Inventing an arsenal: adaptive evolution and neofunctionalization of
snake venom phospholipase A2 genes
Link: http://www.biomedcentral.com/1471-2148/7/2
Szerző: Vincent J. Lynch
Folyóirat: BMC Evolutionary Biology
Publikálás ideje: 2007 január 18 (2. cikk)
• Evolution of an arsenal: structural and functional diversification
of the venom system in the advanced snakes (Caenophidia).
Link: http://www.mcponline.org/cgi/reprint/M700094-MCP200v3
Szerző: Dr. Bryan Fry
Folyóirat: MCP Papers in Press.
Publikálás ideje: 2007 szeptember 17 (3. cikk)