A komplexitás eredete

Az evolúcióbiológusok régóta keresik a választ a kérdére, vajon miként alakultak ki a soksejtű élőlények, és génjeik miként kódolják, hogyan biztosítják a szervezeti összetettséghez szükséges információt. Amerikai kutatók újabb eredményei alapján a magyarázat nem génjeik számában, hanem a génszabályozás módjában keresendő.

Néhány évvel ezelőtt még a fehérjét kódoló gének számával jellemezték az egyes élőlénycsoportok fejlettségét, s többek között a leszármazási viszonyok tisztázására is próbálták felhasználni ezt a mutatót. Mára azonban bebizonyosodott, hogy önmagában a fehérjekódoló gének száma nem magyarázhatja egy szervezet összetettségét, hiszen például az ember fehérjekódoló génjeinek száma nagyságrendileg megegyezik egyes, a soksejtű élőlények törzsfájának alapjánál elhelyezkedő, evolúciósan ősi, alacsony szerveződési szinten álló ("fejletlen") csalánozóéval.

Andrew Grimson, a massachusettsi Whitehead Institute for Biomedical Research kutatója is azok közé tartozik, aki kollégáival más nézőpontból próbált megoldást keresni a soksejtűek eredetének tisztázására. A különböző élőlénycsoportok szervezetének felépítésbeli összetettségét a génszabályozás módjával, pontosabban a mikroRNS-eket (miRNS) kódoló gének számával jellemezte (lásd első keretes írásunkban).

A genom nagyobb része szabályozó szerepet tölt be

A kutatók sokáig csak a DNS-állomány fehérjéket kódoló részének szerepét vizsgálták, ami viszont a teljes örökítőanyagnak (genom) csupán 1-2 százalékát teszi ki az ember esetében. A sokáig elhanyagolt "maradékról" (amely pontosabban a genom 98,7%-át alkotja) az elmúlt néhány év során bebizonyosodott, hogy például a génszabályozásban, illetve a genom stabilitásának megőrzésében nélkülözhetetlen szerepet tölt be.

Az örökítőanyag e korábban "hulladék DNS-nek" is nevezett része például különféle RNS-eket, azaz a ribonukleinsavakat kódol. Ezen RNS molekulák egy csoportja képes a fehérjéket kódoló génekről átíródott úgynevezett hírvivő RNS-ekhez (ezek közvetítik a genetikai információt a DNS és a sejtek fehérjéket felépítő apparátusa között) kötődni, azokat gátolni, s ezáltal megakadályozni az adott fehérje termelődését a sejtben. Ezek az RNS-molekulák tehát - amelyeket mikroRNS-eknek (a továbbiakban miRNS) neveznek - részt vesznek a génszabályozásban: megakadályozzák, hogy egy működő génről fehérjetermék keletkezzen, vagy nagymértékben lecsökkentik az adott fehérje mennyiségét a sejtben (a folyamatról részletesebben lásd korábbi cikkünket).

A primitív csalánozó adta az ötletet

Grimson és kollégái annak megértéséhez szerettek volna közelebb kerülni, hogy mikor és milyen módon alakulhatott ki a soksejtű állatok közös őse. Ezért az állatok törzsfájának alapjánál elhelyezkedő, ősi, egyszerű felépítésű élőlények genomikai vizsgálatába fogtak. Így például galléros ostorosok (egysejtűek, amelyek már telepeket alkothatnak), korongállatok (utóbbiak rendkívül egyszerű szerveződésű, de már soksejtű élőlények, amelyek megjelenésükben leginkább egy hatalmas, több sejtből felépülő amőbára emlékeztetnek), szivacsok (valódi szövetekkel még nem rendelkező soksejtűek) és csalánozók (a legegyszerűbb, valódi szövetekkel bíró állatok) genetikai állományát helyezték kutatásaik középpontjába.

A tengeri rózsák kivételesnek bizonyultak (lásd a cikkben)

Egy másik munkacsoport tagjai - Putman és kutatócsoportja a Kalifornia Egyetem (Berkeley) Integratív Genomikai Központjában - korábban feltárták, hogy a tengeri rózsa (Nematostella vectensis), egy egyszerű felépítésű csalánozó faj fehérjekódoló génjeinek száma összemérhető, genetikai anyagának felépítése pedig nagy vonalakban párhuzamba állítható az emberével. Míg az embernek mintegy 20-21 ezer fehérjekódoló génje van (amelyek meghatározott mintázat szerint helyezkednek el 46 kromoszómán), addig a tengeri rózsa körülbelül 18 ezer génje hasonló rendben oszlik meg az evolúciós szempontból primitívnek tekinthető állat 30 kromoszómáján. Ezek alapján Putmanék arra a következtetésre jutottak, hogy a soksejtűek közös ősének génjei nagyságrendileg a tengeri rózsa és az ember génjei által kijelölt intervallumon belülre esnek. A kutatók azonban nem tudtak magyarázatot adni a csalánozó és az ember szervezeti felépítése közötti óriási mértékű különbségek eredetére vonatkozóan.

Putmanék eredményeiből kiindulva Grimson és munkatársai az evolúciós szempontból fejletlen, egyszerű felépítésű élőlények fehérjét nem kódoló DNS-szakaszait kezdték vizsgálni, azokon belül is a miRNS-eket kódoló szakaszok, vagyis a miRNS-gének számára voltak leginkább kíváncsiak.

A lényegi különbség: miRNS-ek génjei

Itt már lényegi különbségre derült fény: míg az emberben eddig közel hétszáz miRNS-t kódoló gént azonosítottak (és a számuk ennél még jóval több lehet), addig Grimsonék az ősi állatcsoportok egy részében mindössze néhány miRNS-t gént találtak.

Egyetlen kiugró értéket kaptak: a fent említett, már génjeinek számában és genomjának felépítésében is különlegesnek mutatkozó tengeri rózsa legalább 40 miRNS génnel rendelkezik. Ez a szám pedig statisztikai kapcsolatot jelez az evolúciósan fejlettebb élőlények miRNS-einek számával. Más szavakkal: a mellékelt ábrán az adott élőlények, élőlénycsoportok mellett feltüntetett miRNS-számok egyfajta mintázatot követnek, ami jellemzi az élőlények szervezeti, felépítésbeli összetettséget is: a miRNS-ek számának növekedése párhuzamba állítható az adott szervezetek felépítésbeli összetettségével.

A kutatócsoport a genetikai elemzések és korábbi eredmények felhasználásával feltárta az evolúciós törzsfa alapjánál elhelyezkedő élőlénycsoportok miRNS-einek eredetét is (amelyet a vonalábra különböző színeivel jelenítettek meg). Végül eredményeik összegzéseként a vizsgált élőlénycsoportok fehérjekódoló génjeinek száma, a teljes idegsejt-, illetve a miRNS-génszám között kerestek további olyan összefüggéseket, amelyeket párhuzamba állíthatnak a szervezetek felépítésének (morfológiájának) összetettségével.

Statisztikailag - ahogyan az várható is volt - nem találtak megfelelő mértékű összefüggést a morfológiai összetettség, illetve a fehérjekódoló gének száma és kromoszómán való elhelyezkedésük között. Ugyanakkor kiderült, hogy a miRNS-szám szorosan összefügg a teljes idegsejtszámmal. Korábban már kimutatták: a gerincesek mikroRNS-einek jelentős hányada az idegrendszer sejtjeiben működik. Tehát a miRNS-gének száma mellett a teljes neuronszám is nagyban jellemzi a szervezeti felépítés bonyolultságát.

Az első többsejtűek az ősmaradványok alapján

Nem tudjuk pontosan, hogy az élet mikor alakult ki a Földön, de a Nyugat-Grönland területén talált 3,8 milliárd éves szén már szerves eredetű lehet. Nyugat-Ausztrália területéről jó megtartású, 3,46 milliárd éves baktérium-fosszíliákat ismerünk. A baktériumok jelenlétére számos fosszilis bizonyíték van a prekambrium későbbi részeiből is. A prekambrium vége felé (770 millió éve) a földtörténet legnagyobb és leghosszabb jégkorszaka sújtotta bolygónkat, amikor még a trópusi területek is eljegesedtek. Később ezt a "hógolyó Földet" megolvasztotta a légkörben felhalmozódó, vulkáni eredetű szén-dioxid üvegház hatása. A fejlett többsejtű állatok robbanásszerű megjelenése is ehhez a meleghullámhoz kapcsolódott.

Az első komplex soksejtű életformák körülbelül 600 millió éve jelentek meg. Az ősmaradványok arra utalnak, hogy a fejlett szervezetek a magasabb rendű növények kivételével már a prekambrium végén kifejlődtek. Mivel ezek még nem rendelkeztek szilárd vázzal, legtöbbjük nem hagyott hátra maga után fosszilis bizonyítékokat. A szerencsés kivétel az ún. Ediacara-fauna, amelyből a lágytestű fajok lapított, de háromdimenziós lenyomatai őrződtek meg. A híres lelőhelyet 1946-ban fedezték fel Dél-Ausztráliában (Ediacara-hegy), de később a bolygó számos pontján találtak hasonló korú és megtartású maradványokat (Szibéria, Namíbia, Új-Foundland). A változatos lágytestű állatokról kezdetben azt gondolták, hogy a ma élő gerinctelen állatok őseiről van szó (pl. medúzák, férgek, tollkorallok elődei). Néhány kutató azonban amellett érvelt, hogy az ediacarai fajok evolúciós zsákutcát jelentő kihalt élőlényeket képviselnek (Vendobionta). A lelőhely és a fauna jelentőségét mutatja, hogy 2004 óta a proterozoikum legvégső, kambriumot közvetlenül megelőző szakaszát ediacarai időszaknak nevezik (565-542 millió évvel ezelőtti intervallum).

A szilárdvázú élőlények tömeges megjelenése 542 millió évvel ezelőtt következett be az ún. "kambriumi robbanás" során. A Föld élővilágának legjelentősebb változása zajlott le a prekambrium-kambrium határon, számos új állattörzs csaknem egyidejű megjelenésével. Az Ediacara fosszíliák nincsenek ős-leszármazott viszonyban a kambriumi állatokkal, mivel nagyon eltérő a megjelenésük, és többségük még a kambriumi robbanás előtt kihalt.

A prekambrium-kambrium átmenetet sokáig hirtelen változásnak tartották, de mára kiderült, hogy legalább három szakaszt lehet elkülöníteni a sok millió éven át tartó folyamatban (1. lágytestű Ediacara-fauna megjelenése, 2. héjas fosszíliák megjelenése, de trilobiták nélkül, 3. trilobiták megjelenése).

A Virginia Egyetem kutatói 2008-ban kimutatták, hogy a kambriumi robbanás előtt 33 millió évvel lezajlott egy másik robbanásszerű evolúciós esemény is. A ma ismert állatoktól teljesen eltérő életformák körében lezajlott eseményt "Avalon robbanásnak" nevezték el. Megállapították, hogy az Ediacara szervezetek fő típusai a történetük kezdetén hirtelen megjelentek, és bár később a fauna diverzitása jóval nagyobb lett, az alaktani sokszínűségük nem sokat változott.

A soksejtű szervezetek őse

Grimsonék azt találták, hogy a tengeri rózsa miRNS-ei - egy kivételével - egyáltalán nem hasonlítanak a magasabb szerveződési szintű élőlények miRNS-eihez. Az az egy kivétel azonban majdnem teljesen megegyezik a magasabb szerveződési szintű élőlények miR-100 jelű miRNS-ével. E hasonlóság alapján megbecsülhető a soksejtűek közös ősének kialakulása, azaz a közös miRNS megjelenésének időpontja, ami a kutatók szerint nagyjából 600 millió évvel ezelőttre tehető. Ez jól egyezik az őslénytani anyag alapján meghatározott értékkel (lásd második keretes írásunkat).

A kutatók azt feltételezik, hogy a soksejtű állatok közös ősében jelentek meg a legelső miRNS-gének. A közös ős ma élő legközelebbi rokonai a galléros ostorosok és a korongállatok lehetnek, bár egyikük genomjában sem találtak miRNS-géneket. Ezek hiányát azonban másodlagosnak vélik. Szerintük valószínűleg mindkét fajból hiányzik a Pasha nevű fehérje, amely nélkülözhetetlen a miRNS-ek szintéziséhez. A Pasha-t kódoló gén hiánya elvileg csak a mikroRNS-ek sejten belüli előállítását akadályozza meg, tehát egyetlen gén mutáció általi elvesztése okozhatja a miRNS-ek hiányát egy szervezeten belül. Továbbá, feltételezvén, hogy a miRNS-eknek szerepe van a nagyobb morfológiai összetettség kialakulásában, a miRNS- és egyéb gének elvesztése vezethetetett másodlagos morfológiai leegyszerűsödéshez ezeknél az élőlényeknél.

A szivacsokban talált miRNS-gének nem hasonlítanak sem a tengeri rózsáéra, sem a még magasabb szerveződési szintű állatokéra, ez is azt bizonyítja, hogy a szivacsok külön ágon alakultak ki a soksejtűek közös őséből

Grimsonék eredményei alapján összefoglalva: a soksejtűek közös őse valamikor 600 millió éve jelenhetett meg, 18-20 ezer fehérjekódoló génnel és elsőként miRNS-génekkel rendelkezhetett. Legközelebbi rokonai a galléros ostorosok, valamint a korongállatok lehettek, amelyekből azonban másodlagosan kivesztek a miRNS-ek, aminek következtében szerveződésük is leegyszerűsödött. Egy másik tanulmány alapján is úgy tűnik, hogy a korongállatok (Placozoa) állnak a legközelebb a törzsfa gyökeréhez.

A kutatás kapcsán azonban mindenképpen felmerül a kérdés: vajon az egyszerűbb szervezetek - mint a tengeri rózsa - mire használják viszonylag nagy miRNS-készletüket? Erre egyelőre csak sejtések vannak. Mivel a legtöbb csalánozóra bonyolult, több szakaszos egyedfejlődés jellemző, valószínűleg az átalakulások szabályozásához lehet szükség a miRNS-készletre. Ezen felül a csalánozók rendkívüli regenerálódási képességgel rendelkeznek, ami megvalósulhat például miRNS-eken keresztül szabályozott folyamatos őssejttermelési mechanizmuson keresztül. Grimsonék e folyamat tisztázását tűzték ki következő céljukként.

Darwin 200

2009-ben két kiemelkedő, a mai természettudományt alapvetően meghatározó évfordulót is ünnepel a tudományos világ.

200 éve, 1809. február 12-én született a modern evolúcióelmélet kidolgozója, Charles Robert Darwin, és 150 éve, 1859. november 24-én jelent meg főműve, A fajok eredete, amely azután alapvetően megváltoztatta tudományos világképünket. E két évforduló tiszteletére evolúciós cikksorozatot jelentetünk meg.

A sorozat eddig megjelent részei:

Az evolúcióelmélet megszületése

Az evolúció őslénytani bizonyítékai

Az evolúció molekuláris bizonyítékai