Hány génünk van és ezek hányféle módon kapcsolódhatnak be?
Viszonylag sokat kellett várnotok a mai bejegyzésre, de az #agyhirek rovatban egy olyan frissen megjelent cikket mutatunk majd be, ami komolyabb felvezetést igényel.
A biológia most ért a részecskegyorsítók korába. A biológusok és közöttük az agykutatók kísérleti rendszerei -bár nem olyan drágák és bonyolultak, mint a CERNben a Higgs-bozon megjósolt létezését bizonyító LHC - de hatalmas mennyiségű információt termelnek. Ebből az adathalmazból az adatbányászat fizikusok, matematikusok által kifejlesztett módszereivel új típusú összefüggéseket és összefüggés hálózatokat lehet kibogozni. Ezeket a módszereket leglátványosabban a genetikai szabályozórendszerek és az agyműködés vizsgálatára használják.
Intézetünk kutatói e két tudományterület metszetében dolgozva jelentős eredményt mutattak fel a PNAS folyóiratban, mely az Amerikai Tudományos Akadémia presztízses kiadványa. Hogy érthető legyen a munka jelentősége szükség van egy kis technikai alapozásra.
Az élőlények felépítésének és működésének megismerésében nagy lépés volt teljes genetikai állományok szekvenálása (a DNSt alkotó bázispárok sorrendjének megállapítása), a DNSben rögzült információ kiolvasása. Az első teljes genetikai állományt, egy bakteriális vírusét 1976ban szekvenálták meg. Az első nagyobb genomot, a sörélesztő genetikai állományát20 évvel később 1996ban sikerült teljesen felderíteni. Ezt követte 2000re a tarsóka, a fonálféreg és az ecetmuslinca, mind a biológusok modellszervezetei. 2001 és 2002 az ember és az egér genetikai anyagának megismerését hozta. Mára kb 700 állat és 400 növény teljes genetiaki anyagát ismerjük.
Egy faj DNSében hordozott információ felderítése azt teszi lehetővé, hogy megtudjunk hány gén szükséges egy organizmus működéséhez, illetve, hogy a géneken kívül még milyen elemek találhatók a DNSben. Amikor az emberi genomot feltárták, a tudósokat kicsit meglepte, hogy mindössze 23 ezer gént találtak, mely mindössze a DNS információ tartalmának 1/5ét tette ki. A genom 80%ának funkcióját még csak sejtik, Korábban szemét (junk DNA) DNSnek hívták, de mára már sejtik, hogy a génkifejeződés szabályozásában játszik jelentős szerepet. A különböző élőlényekben található gének száma erősen variál, és ami meglepő, nem sok összefüggést találtak egy élőlény génjeinek száma, kromoszómáinak száma és teljes DNS hossza között. Itt is látszik, hogy az evolúció barkácsol, ha valami működik az elég. A szójababnak például kétszer annyi génje van, mint az embernek. Miért???
A mára megismert több száz genom összehasonlító analízise számos eredményt hozott. Egyrészt az élőlények rokonsági kapcsolatait, a Darwin által oly sokat emlegetett törzsfa szerkezetét jelentősen pontosabban ismerjük. Az állat és növényrendszertanban az elmúlt évtizedekben a törzsfa számos, korábban problémás ágát „ültették” át új helyre. Az összehasonlítás másik hozománya, hogy sokat megtudtunk a gének és a szabályozórendszerek szerkezetéről és evolúciójáról.
De itt a dolgoknak még csak a kezdetén voltunk. A DNS tartalma mindössze azt mutatja milyen gének vannak jelen egy élőlényben. Azt, hogy ezek a gének mikor működnek, azt a DNS szekvenciából legfeljebb csak igen közvetve lehet találgatni. Márpedig egy élőlény szervezetét alkotó minden szövet, minden eltérő típusú sejtjében más gének aktívak (ettől mások a sejtek, más dologra képesek). Ráadásul egyetlen sejtben is változik, hogy az egyedfejlődés vagy működésének eltérő fázisaiban mely gének működnek.
A két szülői ivarsejt összeolvadásakor beindul egy genetikai program, melynek során a gének a belső környezet és a külső ingerek hatására meghatározott sorrendben kapcsolnak be és ki. Mint amikor felépítünk egy házat, az egyes munkafázisokban más anyagokra és más szerszámokra van szükségünk.
Szerencsére vannak módszerek arra, hogy megállapítsuk egy adott sejtben milyen gének vannak éppen bekapcsolva. Ugyanis ahhoz, hogy a DNS információjából a funkciót végrehajtó fehérje keletkezzen a megfelelő DNS szakaszról (génről) az információt el kell szállítani a fehérjék előállítását végző sejtszervecskékhez, a riboszómákhoz. Ez úgy történik, hogy azok a DNS szakaszok, amelyekről a sejt adott állapotában fehérjét kell készíteni megkötnek egy enzimet, mely a kromoszómákban védetten elhelyezkedő DNSről az információt átmásolja egy DNShez hasonló, de csak egy fehérje információját hordozó molekulára (ezt a folyamatot átírásnak, transzkripciónak nevezik), az RNSre, mely azt a riboszómákhoz szállítja, ahol azok az RNSben hordozott információ alaján fehérjéket készítenek (ez a fordítás, transzláció folyamata).
Érdekes tény: a gyilkosgalóca mérge az átírást végző enzimet gátolja, azaz megszünteti a genetikai információ kiolvasását. Nem véletlen, hogy ilyen gyilkos méreg. Mire hatását látjuk, már olyan alapvető károkat okozott, hogy a mérgezett menthetetlen.
A génátíródás lehetősége és az RNS jelenléte lehetővé teszi, hogy egyrészt elcsípjük a sejtben éppen jelenlevő RNS molekulákat, illetve letapogassuk azokat a DNS szakaszokat, amelyek nyitva állnak gének átírására. így lehetséges megállapítani azt, hogy mely gének aktívak egy bizonyos sejtben egy bizonyos helyzetben.
De van itt egy bökkenő!!!!
Nem is kicsi.
Az emberi szervezetben 30 trillió, 3x1013 sejt található. Igaz ezek szövet típusokba csoportosulnak, azaz nem mindegyik sejtben eltérő a bekapcsolt gének halmaza, de azért marad elég variáció. Ráadásul ez egy adott pillanat. Az egyedfejlődés alatt, amikor a megtermékenyített petesejtből kialakulnak a szerveket alkotó sejtek, a sejtek az osztódások során számtalanszor funkciót váltanak. Nagyon gyorsan pörgő sorrendben számos gén kapcsol be és ki. Azaz nem csak térben, de időben is változik a sejtek génkifejeződése. A lehetséges aktivált génkészlet száma csillagászati. Az ember 23.000 génje, ha jól emlékszem kombinatorikai tanulmányaimra 223000 módon kapcsolható be. Ennyi atom nincs az egész világegyetemben.
Génkölcsönhatások az idegrendszeben.
Szóval munka akad elég. A genetikai szabályozás felderítésére alapvetően két megközelítés létezik. Az egyik, hogy kísérletekkel megnézzük, egy adott szövetet alkotó sejttípus esetében milyen gének vannak bekapcsolva, illet mely géneket lehet aktiválni ezekben a sejtekben. A másik egyre fontosabb megközelítési mód a génszabályozás hálózatának számítógépes elemzése és modellezése. A kísérletezők által összegyűjtött adatok alapján az elméleti szakemberek képesek felrajzolni, hogy a gének milyen módon segítik vagy akadályozzák egymás kifejeződését. De jelentős újdonság, hogy az eddigi adatok alapján már jól működő becsléseket is lehet arra tenni, hogy egy korábban még nem megvizsgált DNS szakasz milyen módon hathat kölcsön más DNS szakaszokkal. Ezáltal a mérésekkel felderített szabályozó hálózatok kiterjeszthetők.
Az agyterületek kialakításában fontos gének szabályozó hálózata
A szabályozó hálózatok ismeretében modellekben vizsgálhatók az egyedfejlődés során a test és a szervek kialakulása során bekapcsolódó génhálózatok. A számítógépben is futhat az embriogenezis, az élőlény kifejlődése.
A tüdő kialakulásában szerepet játszó gének kölcsönhatások megjelenítésére alkalmas interaktív program
„Mára ennyit a tudományok újdonságaiból.” (copyright: Kudlik Júlia :)
A kapcsolódó következő bejegyzésben azt járjuk majd körbe, hogy a női reprodukciós ciklus szabályozásában szerepet játszó egyik idegmag sejtjeiben milyen gének kapcsolódnak be a menstruációs ciklus eltérő időpontjaiban és ezáltal milyen módon változik meg a sejtek működése.