Készül a genetikai Avatar

Jelenleg egydimenziós állóképünk van az emberi genetikai állományról, a valóság pedig egy 3D-s, időben és térben folyamatosan változó rendszer. Olyan ez, mintha az Avatar forgatókönyvét vetnénk össze a film látványvilágával - mondta lapunknak egy fiatal magyar biológus, aki nemzetközi kutatást vezet Németországban. Németh Attila az ELTE-n végzett, a Regensburgi Egyetemen dolgozik, a kisfia német-spanyol-magyar anyanyelvű, és szabad idejében egy Európa-szerte hallgatott funk-brigádban basszusgitározik.

Az élet alapegysége a sejt, és olvasóink zöme tudja, hogy a sejteknek magja is van (kivéve a baktériumokat). A sejtmag azért fontos, mert ebben helyezkednek el a kromoszómák, amelyek örökítőanyagunkat, genetikai állományunkat (genomunkat) hordozzák.

A legtöbbünk fejében olyan kép él a sejtmag belsejéről, amilyen a bal oldali ábrán is látható: egy olyan burok, amelyben szép sorban egymás mellett sorakoznak az X alakú kromoszómák. A valóság azonban teljesen más, és csak most kezdjük részleteiben megismerni.

"Viszonylag részletes információnk van az emberi genetikai állományról, ám ez egy egydimenziós információ" - mondja Németh Attila biológus, aki Németországból adott interjút az [origo]-nak. "Ez a részletes információ a genomot alkotó DNS-molekulák alapegységeinek sorrendje, szekvenciája, amely már számos faj esetében ismert. A szekvencia azonban csak alapinformáció, és egyelőre minimális tudással rendelkezünk térbeli szerkezetéről."

Pedig a térbeli szerkezet - akárcsak a fehérjemolekuláknál - alapvető fontosságú a genom működésének szempontjából. A genetikai állomány működésének pontosabb megértéséhez tehát szükségünk van annak megismerésére is, hogy a sejtmagon belül hol találjuk meg a kromoszómák egyes területeit. Mert itt jön a nagy változás a tankönyvi ábrákhoz képest: a klasszikus X alak csak az osztódásnál jellemző a kromoszómákra, amikor a sejtmagok egyébként is lebomlanak. Idejük nagy részében azonban teljesen más szerkezetet vesznek fel, és állományuk szinte teljesen kitölti a sejtmagot, miközben különböző kromoszómák egyes területei egészen közel kerülnek egymáshoz, és egymással kapcsolatba is léphetnek (lásd az alábbi ábrán).

Közelebb a valósághoz: a koromoszómák általában nem X-alakúak, és állományuk szinte teljesen kitölti a sejtmagot. Az egyes kromoszóma-territóriumok érintkeznek és kölcsönhatnak egymással

A másik nagy kérdés a genom működési mintázata, dinamikája. Hogyan változik ez a szerkezet térben és időben a sejt különböző aktivitásai során? Erről még szinte semmit nem tudunk. "Jelenleg egy egydimenziós állóképünk van a genomról, a valóság pedig egy 3D-s, időben és térben folyamatosan változó rendszer. Olyan ez, mintha az Avatar látványvilágát vetnénk össze a film forgatókönyvével" - mondja Németh.

A fiatal magyar kutató és munkatársai azon dolgoznak, hogy a forgatókönyvből elmozduljunk a valós látvány felé. Legutóbbi eredményeiket március 26-án közölte a PLoS (Public Library of Sciences) Genetics című szaklap.

A két német és egy spanyol intézet (Universität Regensburg, Ludwig Maximilians Universität, München és Centro de Investigación Príncipe Felipe, Valencia) kutatócsoportjai Németh Attila és Gernot Längst vezetésével az úgynevezett sejtmagvacskát (nukleólusz) vizsgálják. A sejtmagvacska alaktanilag (mikroszkóposan) és funkcionálisan is jól elkülöníthető része a sejtmagnak, továbbá tiszta formában elválasztható a sejtmag többi részétől, ezért is választották ezt a vizsgálatokhoz. A cél az volt, hogy először a genom olyan részének 3D-s szerkezetébe nyerjenek betekintést, amely jól ismert, meghatározott feladattal rendelkezik, emellett a meglévő technológiákkal viszonylag könnyen vizsgálható.

Azt régóta tudják, hogy a sejtmagvacskában olyan molekulák termelődnek, amelyek a sejtek "fehérjegyárainak", az úgynevezett riboszómáknak a felépítéséhez szükségesek (lásd keretes írásunkat). A kérdés az volt, hogy ezeken, illetve az ezeket kódoló géneken kívül mit találnak még benne, és ezek hogyan helyezkednek el?

A sejtmagvacska alapváza riboszómális RNS (rRNS) génekből - melyek emberi sejtekben a 13-as, 14-es, 15-ös, 21-es és 22-es kromoszómák rövid karjain helyezkednek el -, az átírásukhoz szükséges enzimekből (pl. RNS-polimeráz I) és az átíródott rRNS molekulákból áll. A sejtmagvacska a genom nagyon aktív része, az összes átíródott RNS akár 80%-a is itt termelődhet. Az RNS-ek nagy része riboszomális RNS (rRNS), amelyek a riboszóma nevű sejtszervecskék felépítésében vesznek részt. A riboszómák a sejtmagon kívül állnak össze, és bennük zajlik a sejtek fehérjegyártása.

Németh és kollégái 97 olyan új kromoszómaterületet találtak, amely a sejtmagvacskához kapcsolódik (részletesen lásd második keretes írásunkat). Ez egy átlagolt eredmény, amelyhez több tízmillió sejtmagvacskából kinyert DNS elemzése alapján jutottak. Ugyanakkor mikroszkópos vizsgálatokkal képesek voltak - a sejtmagvacska esetében először - egy konkrét sejtben is betekintést nyerni a genom ezen részének 3D-s szerkezetébe. Így született például az alábbi kép, amelyen a világoskék szín a sejtmaghártyát, a piros a sejtmagvacskát, a zöld pedig a genom hozzá kapcsolódó részeit jelöli.

A valóság közelében: a világoskék szín a sejtmaghártyát, a piros a sejtmagvacskát, a zöld pedig a genom hozzá kapcsolódó részeit jelöli

"Egy lépéssel közelebb jutottunk annak megértéséhez, hogyan lesz a forgatókönyvből 3D-s film" - mondja Németh. "Ha tudjuk, hogyan helyezkednek el a sejtmagban az egyes kromoszómák különféle területei, akkor könnyebb lesz megérteni, hogyan befolyásolják egymás aktivitását. A génaktivitás olyan, mint egy zenei kompozíció. A megfelelő géneknek adott időben és a megfelelő intenzitással kell megszólalniuk vagy elhallgatniuk, és az élő sejtben ez egy 3D-s sejtmagi rendszerben szabályozódik. Karmester nélkül."

Németh és kollégái emberi daganatos és egészséges kötőszöveti sejtekkel dolgoztak. A továbbiakban újabb sejttípusokat, illetve a genom újabb részleteit vizsgálják. Ezek és a világszerte zajló hasonló kutatások segítenek majd megérteni, hogyan szerveződik működési egységekbe a genetikai állomány a sejtmagban.

Németh és kollégái az eddig ismert alkotóelemeken kívül a genom további 4%-át találták a sejtmagvacskához kapcsolódva (ennek egy része látható a fenti képen zöld színnel). Ez körülbelül 97 kromoszómarészletet és körülbelül 12 millió bázispárt jelent (a humán genom 3 milliárd bázispárból áll). Majdnem mindegyik kromoszómáról találtak úgynevezett centroméra részleteket (a centroméra az a befűződési pont, amely az osztódásnál a kromoszómák szétválasztásához kell). Több kromoszóma esetében találtak teloméra részleteket is a sejtmagvacskához kötődve (a telomérák a kromoszómák végeinek "védőkupakjai", kutatásukért adták a 2009-es orvosi-élettani Nobel-díjat). Ezen kívül nagyobb számban találtak a sejtmagvacskához kötődve olyan kromoszómarészleteket, amelyek úgynevezett transzkripciós faktorok génjeit tartalmazzák (ezek a génszabályozásban alapvető fontosságú elemek), szaglóreceptor-géneket, a sejtes védekezés egyes génjeit, valamint szállító RNS-ek (tRNS) génjeit és ismétlődő szekvenciák bizonyos típusait.

Németh A, Conesa A, Santoyo-Lopez J, Medina I, Montaner D, et al. (2010) Initial Genomics of the Human Nucleolus. PLoS Genet 6(3): e1000889. doi:10.1371/journal.pgen.1000889

Németh Attila az ELTE TTK-n végzett 1997-ben biológia-kémia és biológus szakokon, majd a SOTE Kísérleti Rákkutató Intézetében dolgozott doktoranduszként Kovalszky Ilona kutatócsoportjában. 1998 és 2001 között összesen két évet töltött Heidelbergben a Német Rákkutató Intézetben. 2002 és 2006 között a müncheni Ludwig Maximilians Egyetemen dolgozott posztdoktori állásban, azóta a Regensburgi Egyetem Biokémia Tanszékén kutat és oktat. Kérdésünkre elmondta, hogy egyelőre nem tervezi hazatérését, mivel felesége spanyol, kisfia német-spanyol-magyar, így a család Európában van/nincs otthon. Attila 2002 óta a The Uptown Felaz nevű zenekarban basszusgitározik, előtte 1991-től 1998-ig a Tomi Szomorúban játszott.