Új elmélet a DNS eredetéről

A DNS eredetére vonatkozó egyik új elmélet szerint lehetséges, hogy a kettős szálú nukleinsav a vírusoknál jelent meg először. Ez megkönnyíthette bejutásukat a sejtekbe.

Egy újabb evolúciós elmélet szerint a vírusok lehettek az első szervezetek, amelyek hasznát vették a DNS-nek, vagyis annak a molekulának, amelynek az élet jelenlegi, igen gazdag változatosságát köszönhetjük. A kettős szálú dezoxiribonukleinsav (DNS) molekula eredete jóval bonyolultabb annál, mint elsőre hinnénk. A DNS az egész élővilágban mindenütt jelen van, mivel minden sejt ennek a molekulának a segítségével tárolja teljes genetikai anyagát, azaz a genomot. Valószínű, hogy a DNS már az élet keletkezését követő egészen korai időktől fogva létezik, azt azonban nem tudni, hogy pontosan mikor jelent meg először. Egyes vélemények szerint a sejtek és a fehérjék megjelenését követően bukkant fel, mások szerint már a sejtmembránok megjelenését megelőző időkben. Ismert, hogy a különböző sejttípusok egymástól igen eltérő módon szintetizálják, illetve másolják a DNS-molekulát. Emiatt sokan arra következtetnek, hogy a molekula egymástól függetlenül több alkalommal is kialakulhatott. Természetesen a DNS eredetét magyarázó összes elméletnek vannak hiányosságai.

RNS-világ

"Nem tudok róla, hogy a DNS eredetére vonatkozóan ma létezne olyan elmélet, amely minden tekintetben meggyőző lenne" - mondja Patrick Forterre (University of Paris-Sud) evolúcióbiológus. Forterre új ötlettel állt elő, ami szerinte megoldást jelenthet a problémára. Véleménye szerint először a vírusok fejlesztették ki a DNS-t, annak érdekében, hogy képesek legyenek átjutni az általuk megfertőzött sejtek védelmi vonalán. A vírusok a saját genetikai anyagukon kívül alig tartalmaznak mást, így sokféle módon képesek elkerülni, hogy azonosítsák őket. Forterre szerint a földi élet korai időszakában a vírusok számos "trükkös" megoldást fejlesztettek ki, és a DNS kialakulása is ennek lehet az eredménye. Több kutató számára is rokonszenves ez az elképzelés, és a hipotézist akár még laboratóriumi körülmények között is lehetne tesztelni.

A legtöbben úgy gondolják, hogy a DNS megjelenése előtt a genetikai információ a ribonukleinsav (RNS) molekulákban tárolódott. Az RNS-molekulák csak egyetlen láncból épülnek fel, és emiatt sokkal "rugalmasabbak" a kettős láncú DNS-nél. Egyes RNS-ek képesek különféle kémiai reakciókat katalizálni, esetenként a saját megkettőződésüket (replikáció) is. El lehet képzelni egy olyan ősi "RNS-világot", amelyben az RNS-ek egyaránt elláták a kémiai reakciók és a replikáció katalizálását (amelyet ma a fehérjék végeznek), és az információ tárolását is (amely ma a DNS feladata). A kettős láncú, rugalmatlan DNS-molekula csak a fehérjék segítségével képes megkettőződni, és nem alkalmas arra, hogy biokatalizátorként (enzimként) működjön. Ez az egyik ok, amiért azt feltételezik, hogy a DNS csak azt követően alakult ki, hogy az "RNS-világ"-ban már jelen voltak a fehérjék is.

A gazdasejtek védelmi mechanizmusainak kivédése

Miután a DNS-molekula megjelent, előnyös tulajdonságai alkalmassá tették rá, hogy örökítőanyagként funkcionáljon. A DNS a ribonukleinsavaknál kémiailag sokkal stabilabb szerkezetű, ami lehetővé teszi a hosszabb genomok, és ezáltal a komplexebb szervezetek létrejöttét. Azonban az előnyös kémiai szerkezet önmagában nem ad rá magyarázatot, hogy miért épp a DNS lett az örökítő anyag. A természetes szelekció nem képes előre tervezni, így nem lehetett előre tudni, hogy a DNS szerkezete később előnyösnek bizonyulhat a genomméret növekedése szempontjából. Forterre szerint ehelyett inkább az tűnik valószínűnek, hogy a DNS-re eredetileg ható szelekciós erők lehetővé tették a vírusok számára, hogy kikerüljék gazdasejtjeik védelmi mechanizmusait. Sok sejt a támadók genetikai anyagának tönkretételével védekezik a behatolók ellen. Viszont azok az enzimek, amelyek az RNS lebontása céljából fejlődtek ki, hatástalanok maradhattak a vírusok DNS-ével szemben. Ezért az a vírus, amely kifejlesztette a DNS-t, rengeteg előnyhöz juthatott a sejt védelmi mechanizmusainak elhárítását tekintve.

Bizonyítékok az elmélet mellett

Forterre két fő érvet hoz fel amellett, hogy a DNS-t feltehetőleg a vírusok fejlesztették ki először. Az egyik a jelenleg létező vírusok genetikai rendszereinek sokfélesége, amely a meglévő dolgok új módon történő hasznosításának evolúciós tendenciáját sugallja. A vírusok genetikai állománya egyszeres és kettős láncú DNS-ből, valamint egyszeres és kettős láncú RNS-ből állhat, illetve olyan DNS-t is tartalmazhat, amelyben az egyébként csak az RNS-ben előforduló uracil nevű bázis helyettesíti a megszokott timint. A genom tárolható egy egyszeres nyitott láncú, vagy egy zárt láncú, hurkot képező molekulában, illetve több darabban is. A szerkezetben végbement változások egy része sokak szerint annak érdekében zajlottak le, hogy segítsék a vírusokat a gazdasejtek védelmi mechanizmusainak elhárításában. A biológusok jelenleg még viszonylag keveset tudnak a vírusok genetikai változatosságának nagyságrendjéről. A hőforrások környékén nemrég felfedezett vírusok között sokféle, szokatlan formájú vírust találtak, illetve olyan géneket, amelyeknek más élőlényekben nem ismerik a megfelelőit.

A bizonyítékok másik részét Forterre a DNS működését szabályozó gének közötti hasonlóságokra alapozza. A sejtes szerveződésű életformákat jelenleg három fő csoportba osztják: archaeák (régebben archeobaktériumok), eubaktériumok és eukarióták (valódi sejtmaggal rendelkező élőlények). Mindhárom csoportban előfordulnak hasonló gének, amelyek feladata, hogy a DNS-ben tárolt genetikai információ alapján fehérjéket állítsanak elő. A gének hasonlósága azt sugallja, hogy ezek a gének még azelőtt keletkeztek, mielőtt az élőlények három fő csoportja szétvált volna. Létezik azonban két olyan enzimtípus - a DNS-replikációban résztvevő DNS-helikázok és DNS-polimerázok (ezek a kettős hélix szétválasztásában és az egyes szálak másolásában vesznek részt) -, amelyekre nem igazak az előbb említett hasonlóságok. A két enzimet kódoló gének archaea és eukarióta megfelelői ugyan hasonlítanak egymásra, a baktériumoknál található gének viszont mindkettőtől jelentősen különböznek. Ebből arra lehet következtetni, hogy ezek az enzimek egymástól függetlenül evolválódtak. Ezen kívül az eukarióták és a baktériumok DNS-polimeráz enzimei sokkal több közös vonást mutatnak bizonyos vírusok hasonló enzimeivel, mint egymással. Ezek a tények Forterre elméletét támasztják alá, miszerint a DNS-molekulák másolásának képessége nem a sejtektől, hanem a vírusoktól ered.

RNS-genomokból DNS-genomok

Forterre szerint a sejtek DNS-e a következőképpen alakult ki: a DNS-vírusokkal fertőzött sejtek RNS-génjei egy új, stabilabb formává, azaz DNS-sé "fordítódtak át", a reverz transzkriptáznak nevezett enzim segítségével (a reverz transzkriptázok RNS-ekről készítenek DNS-másolatokat, nevüket is innen kapták: fordított átírás - reverz transzkripció). Forterre véleménye, hogy a reverz transzkriptáz enzimek a vírusoktól származnak. Ilyen enzimmel felszerelkezve a vírusok értékes géneket is "beszerezhettek" a gazdasejtektől, beépítve azokat saját génállományukba. A DNS-alapú genomok kialakulása után a sejtek eredeti RNS-kromoszómái feleslegessé válhattak. Ez a folyamat többször is végbemehetett, ami megmagyarázná a DNS-t kezelő enzimeket kódoló génekben tapasztalható eltéréseket az élőlények különböző csoportjaiban.

Bizonytalan pontok

Anthony Poole, a Stockholmi Egyetem evolúcióbiológusa szerint az új elmélet több ponton is megegyezik a virális törzsfákból származó információkkal, azonban néhány helyen homályos marad. A vírusok és a sejtek is képesek gyorsan különféle géneket szerezni, de nehéz eldönteni, hogy a melyik genom volt a DNS megjelenésének forrása, és melyik genom volt az, amelyik később átvette ezt az újítást. A törzsfaelemzések szerint több helyen rokonság mutatható ki a sejtekből és a vírusokból származó szekvenciákban. A problémát az jelenti, hogy nem tudjuk, milyen sorrendben történtek a dolgok, mivel a vírusok a sejtes szerveződésű élőlények leszármazási vonalából is eredhetnek. Bill Martin, a Düsseldorfi Egyetem biológusa szerint az elmélet csak azt bizonyítja, hogy a DNS-molekula egynél többször is kialakult, és hogy a reverz transzkriptáz enzim valószínűleg részt vett az RNS DNS-sé történő átalakulásában. "Semmi nem bizonyítja, hogy a DNS megjelenése eredetileg a vírusok fertőzései során jelentett volna szelekciós előnyt. A DNS előnye egyszerűen a kémiai stabilitása" - mondja Martin.

Forterre javaslata, hogy gyűjtsenek minél több vírusból génszekvenciákat annak érdekében, hogy azonosíthassák azoknak a vírusoknak a leszármazottait, amelyek elsőnek fertőztek DNS-sel sejteket. Érdemes lenne például megvizsgálni azt a nemrégiben felfedezett vírustörzset, amelyek amőbákat fertőznek meg. Ezek a vírusok nagyméretű, kettős láncú DNS-genommal rendelkeznek, és egyes enzimeik hasonlóak az eukarióták enzimeihez. Forterre szerint a vírusokkal és baktériumokkal folytatott laborkísérletek szintén segíthetnek feltárni az evolúciós folyamatok egyes aspektusait. Ki lehetne például próbálni, hogy mi történne, ha egy sejt DNS-replikációs enzimeit a vírusokban előforduló megfelelőikkel helyettesítenék. Mindazonáltal ezek olyan kérdések, amelyekre talán sosem kapunk teljesen egyértelmű válaszokat, mert az események túl régen, az élet kialakulását követő időszakban mentek végbe.

Forrás: Nature, 2006. január 16., 130. oldal

Illyés András