bardóczi ákos @post.r

Na melyik tudomány hekkelte be magát a Nobel-díjas felfedezések közé ismét? Az elmúlt 10-20 évet elnézve gyakorlatilag minden évben osztottak olyan Nobel-díjat, amit a kutatók valamilyen módon a molekuláris biológia módszereivel, arra alapozva folytattak vagy konkrétan egy molekuláris biológiai folyamatot tisztáztak.

Mielőtt csukafejest ugranék  a molekuláris szintű mechanizmusok tárgyalásában, érdemes megnézni az alábbi videót a jelenség emberi oldaláról, nevezetesen egy kisfilmet a xeroderma pigmentosumról.

Megint más esetben, a Neill-Dingwall-szindrómánál, más nevén Cockayne-szindrómánál ugyanúgy arról van szó, hogy egy örökítőanyagban bekövetkezett hibát nem ismernek fel az erre szakosodott enzimek, persze más típusú hibát, a klinikai kép is teljesen más.  

Idén Tomas Lindahl, Paul Modrich és Aziz Sancar a DNS-t érintő hibajavító mechanizmusok és ezek esetleges meghibásodásaik mikéntjének tisztázásáért kaptak Nobel-díjat, azonban nem orvosi-fiziológiait, hanem kémiait, lényegében tényleg minden további nélkül nyerhették volna az egyik és a másik kategóriában egyaránt.

A lényeget fussuk át még egyszer: az élő sejtekben lévő, csigalépcsőként elképzelhető DNS, aminek a lépcsőfokait egymással szemben, párban elhelyezkedő bázisok képzik, a köztük lévő belső kötés az egyik, ami a szerkezetet stabilizálja, a másik stabilizáló kötés pedig a csigalépcső külső vázát adó, cukor-foszfát gerinc egységeket összekapcsoló kötés hosszában. Elmagyarázni sokkal nehezebb, mint mutatni, tehát valahogy így:

A DNS rendkívül kompakt formában van jelen, de szükség esetén fellazul, majd a szálból a szükséges szakaszról, mint genetikai információt hordozó részről, egyfajta lenyomat készül, ez az RNS. Egy-egy ilyen szakasz feleltethető meg általában egy-egy génnek (transzkripció). Az RNS szálra rákapcsolódik az ún. riboszóma, ami a hordozott információ alapján elkészít egy génterméket, általában fehérjét (transzláció), ami végülis az azonosítható örökletes tulajdonság lesz. Sejtosztódáskor a teljes DNS-ről másolatot kell készíteni, meg kell kettőzni azt, aminek a másodpéldánya az új sejtbe kerül. A molekuláris biológia lényegében ezeknek a folyamatoknak a részleteivel foglalkozik.

Régóta ismert, hogy a transzkripció, a transzláció és a duplikáció részfolyamataiban néha előfordulnak hibák, mégpedig olyan hibák. Persze a könyvekben több külön fejezet foglalkozik azzal, hogy a különböző hibákat hogyan ismeri fel és javítja ki a rendszer, megjegyzem, elképesztő bravúrossággal és pontossággal. Ha ez nem történne meg, a DNS-ünk információtartalma össze-vissza változna a sejtosztódások alkalmával avagy hiába lenne pontos egy-egy génre vonatkozó információ, a géntermék a transzkripció vagy a transzláció hibája miatt végeredményben hibásan jönne létre, összességében igen rövid idő alatt az élettel összeegyeztethetetlen vagy legalábbis nagyon súlyos állapot alakulna ki. A hibajavítási folyamatokat nevezzük repair-nek. Előfordul, hogy a repair bizonyos esetekben nem működik, de általában nem a hibajavító képesség teljes hiányát, csak csökkent működését kell elképzelni.

Meglehetősen szerteágazó témáról van szó és természetesen nem úgy kell elképzelni, hogy három kutató tárta volna fel az összes típusú hibajavító mechanizmust egy az egyben.

Ahhoz, hogy a DNS kellően stabil legyen, bizonyos játékszabályoknak érvényesülniük kell, így például a létraszerű molekulában az adenin bázissal szemben csak timin lehet, míg a citozinnal szemben csak guanin. Abban az esetben, ha ebbe hiba csúszik a DNS elkészítése során, annak egyik közvetlen következménye, hogy a DNS kevésbé lesz stabil, úgy is fogalmazhatnék, hogy a csigalépcső nem a megfelelő módon feszül, másrészt nyilván amikor a leolvasás, RNS-re való átírás történik, hibás információ fog az RNS lenyomatba kerülni, ha pedig a DNS megkettőződésére van szükség, a másolat is hibás lesz. Teljesen érthető, hogy az evolúció a rendszert úgy fejlesztette, hogy a hibákat azonnal észleljék és javítsák az erre specializálódott enzimek. Azaz ha például egy adeninnel szemben a láncban nem timin épül be, hanem bármi más, azt enzimek észlelik, kivágják és beillesztik helyette a megfelelő bázist, ez az ún. bázis-excíziós repair, de előfordul, hogy nem csak a bázist kell lecserélni, hanem a csigalépcső külső gerincét adó cukor-foszfát részt is, ez a nukleotid-excíziós repair. Ez persze még mindig egyszerűsítés, valójában például nem lehetséges egyetlen nukleotidot kivágni, csak egy teljes szakaszt, amihez tartozik, majd a helyére szintetizálni kell egy megfelelő szakaszt a helyes nukleotiddal, ez lényegen nem változtat. (Hivalalos press release erre: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2015/popular-chemistryprize2015.pdf ) Bizonyos esetekben egy-egy élőlénynél éppen azok az enzimek hiányoznak vagy működnek alul, amiknek a szabást-varrást-stoppolást-hibajavítást kellene normálisan végezniük. Abban az esetben, ha nem az egész életet végigkísérő hibáról van szó, hanem arról, hogy súlyos hiba történik a transzkripció vagy a transzláció folyamatában és azt nem észleli és korrigálja semmi egészséges emberben, egy élő sejtben – ez egyébként igen ritka – a sejt az utolsó pillanatban vagy észreveszi magát, aztán öngyilkos lesz, azaz apoptotizál megint más esetben pedig hibásan működik, osztódik, az utódsejtekbe eleve hibás információ kerül, általában valamilyen daganatos betegséget alakul ki. Persze előfordul olyan is, hogy egyetlen eltévedt bárányból több tízezer sejtből álló kolónia alakul ki, amelyik aztán osztódik, ha kell, ha nem, kedvezőtlen körülményeket kialakítva abban a környezetben, amiben az adott szövet normális sejtjei élnek, a jelenséget az immunrendszer felismeri és a tumoros sejteket kivégzi. Ilyen előfordulhat tehát egészséges embernél is, bizonyos környezeti tényezők viszont fokozzák az esélyét, hogy bekövetkezzen, ilyen tényezők például az UV sugárzás vagy a dohányzással beinhalált kátrány.

Van, akinél már a születéstől fogva a hibajavítás elmarad. Maga a hibajavító funkció nyilván nem pótolható, a betegeket azokkal a betegségekkel kezelik, amik a repair hiányának közvetett következményei.

A posztban látható első videóban konkrétan a DNS szálban emlékeim szerint timin-párosok jönnek létre, amit nem észlel és javít semmi, ennek következtében, az utódsejtekbe is tropa DNS kerül. Márpedig amikor a testet napfény, ilyen módon több UV éri, a timin-dimerek létrejöttének esélye drámaian nő, ezért ha ezt a típusú DNS károsodást semmi sem korrigálja, az súlyos bőrelváltozást okoz, mivel az UV elsősorban annak szöveteit érinti, rosszabb esetben pedig bőrrák alakul ki.

A második videóban bemutatott betegség molekuláris szintű oka, hogy a DNS megkettőződésekor olyan nukleotidok kerülnek egymással szembe, amiknek egyáltalán nem szabadna, azaz eltérnek az A-T, G-C-szabálytól, azonban ez a mismatch javítatlanul marad, normális esetben így történik:

A repair folyamatokat egészen jól, animációs filmekkel bemutató Youtube-csatorna itt érhető el,  természetesen az érhetőség kedvéért az ilyen folyamatokról írni vagy épp animációt készíteni csak jelentős egyszerűsítésekkel lehet. Amit vegyünk észre, hogy az önmagában genetikai tulajdonság lehet, hogy egy szervezet genetikailag instabil, másrészt éppen sok esetben a repair alulműködése jelenti az evolúció molekuláris szintű alapját, azon keresztül, hogy utat enged a mutációknak.

Nemrég posztoltam a tizenéves fiúról, akinek a bőre egyetlen fehérje deficitje – pontosabban az ellene indított autoimmun válasz – annyira miatt gyakorlatilag azonnal szétszakad.

Szintén a bőrt érintő, a 18. század közepe óta ismert, de csak nemrég tisztázott örökletes betegség, a harlequin ichthyosis ugyancsak a bőr fejlődését érinti nem is akárhogy.

Klinikai megjelenés – a betegség közvetlen oka, a bőr túlzott keratinizációja, ami azt eredményezi, hogy a meglehetősen rigid struktúrfehérje túltermelődése miatt a bőr több különböző részen, de akár a teljes testfelszínen megvastagszik, páncélszerűvé válik, aminek eredménye, hogy a bőr gyakorlatilag halpikkely-szerűen szigetekre töredezik, rendszeresen bevérzik, ami drámaian megnöveli a fertőzések esélyét és igencsak szokatlan külsőt eredményez, ami már a születéskor jól megfigyelhető. Mivel a bőr szinte teljesen rugalmatlan, így az olyan területek, ahol a bőrnek mozgékonynak kellene lennie, a test leginkább markánsan eltorzul. Így az újszülött szája és szeme gyakorlatilag folyamatosan nyitva van az ajkak és a szemhéj környezetében lévő bőrfelület rigiditása miatt.

Korábban a betegség minden esetben halálos kimenetelű volt, ma pedig, kombináltan, főleg isotretinoinnal kezelhető, ha a magzat túlél egy kritikus periódust. Az isotretinoin hatása elsősorban közvetett, hatásmódját tekintve a keratin túlzott jelenlétét követő gyulladást csökkenti.

A betegség oka a 2-es kromoszóma hosszú (q) karján 35-ös pozícióban lévő ABCA12 gén egy olyan típusa, aminél a normális típushoz képest akár több deléció is lehet, azaz bizonyos szakaszok hiányoznak. A betegség autoszomális recesszív, azaz a gén mindkét hibás példánya kell a betegség kialakulásához, ismét máshol olvastam olyat is, ami szerint a nemi X-kromoszóma egy bizonyos mutációja nagyon hasonló tüneteket eredményez.

Kép: globalgenes.org

Augusztusban eléggé erős videót töltöttek fel a 14 éves fiúról, aki egy meglehetősen ritka örökletes betegséggel született, ami miatt a bőre annyira sérülékeny, hogy gyakorlatilag folyamatosan kötözni kell, hogy a helyén maradjon. 

Az emberi bőr ugye egy több rétegből álló szövet, a rétegeket pedig a bőr extracelluláris mátrixa rögzíti egymáshoz, aminél igen súlyos elváltozásokat okozhat, ha valamelyik struktúrfehérje valami miatt nem úgy viselkedik, ahogy kellene, esetleg hiányzik. A szóban forgó betegségnél az extracelluláris mátrix fehérjéi közül a kollagén csoport tagjainak egyik, a 7-es típusú kollagén érintett, ami több, rostokat alkotó fehérjével együtt a sejtközötti mátrix stabilizálásában elengedhetetlen. Ennél a betegségnél a fehérje létrejön ugyan, viszont egy szerencsétlen mutáció miatt autoimmun választ jelenik meg, azaz az immunrendszer idegenként ismeri fel és ennek megfelelően támadja, jelen esetben a bőr legfelső és alatta lévő rétege nem tud egymáshoz rögzülni. 

Itt konkrétan az disztrófiás epidermolysis bullosáról van szó, amivel kapcsolatban eloszlatnék egy gyakori, genetikához kapcsolódó félreértést. Általános iskolában, majd középiskolában is szóba kerülnek a Mendel-törvények kapcsán a klasszikus példák, de azért nagyon röviden fussuk át. A [diploid] élőlények testi sejtjeinek két kromoszómája alkot egy párt, aminek azonos pozícióin ugyanannak a génnek két különböző változata fordulhat elő, ez jelenik meg a fenotípusban, azaz valamilyen látható vagy mérhető sajátosságban. Ennek tankönyvi példái a kodomináns öröklésmenet, mint amilyen az AB0 vércsoportrendszerre jellemző, azaz mindkét gén, az A, B is kifejeződhet, ha annak jelen van a domináns típusa,  AB, ha mindkettőnek jelen van a domináns típusa, esetleg egyik sem. Az intermedier öröklődés esetén egy köztes tulajdonság jelenik meg két eltérő szülő esetén, azaz például a fehér és a fekete kakas utóda legnagyobb valószínűséggel szürkésebb lesz. A domináns-recesszív öröklődés esetén az egyik génváltozat által meghatározott tulajdonság megjelenik, míg a másik egyáltalán nem, azaz ha például egy betegséget kiváltó gén domináns az ún. vad típussal szemben, akkor az lesz a meghatározó, egy örökletes betegséget kialakítva, de a lényeg, hogy genetikailag minél távolabbi szülők utódáról van szó, a hátrányos, betegséget okozó gének megjelenése annál kevésbé valószínű, hiszen nagyon kicsi az esélye, hogy éppen mindkét szülő ugyanazt az előnytelen allélt hordozza. Viszont ez nem jelenti azt, hogy a domináns-recesszív öröklésmenet minden esetben így jelenne meg a fenotípusban. 

Érdemes tudni, hogy bizonyos esetekben – ami azt illeti, ez a gyakoribb – vannak fenotípusos megjelenést módosító hatások, azaz olyan folyamatok, amik a klasszikus mendeli genetika alapján nem érthetőek meg, természetesen nem állnak szemben vele. A tankönyvi példában domináns episztázisról van szó, egyetlen domináns gén elegendő, hogy elnyomja a párja hatását, míg recesszív esetén elegendő, ha csak az egyik példány hibás, erre példa a fenti kisfiú esete is. 

A fenti példában szinte ugyanolyan tünetegyüttest vált ki a domináns módon öröklődő disztrófiás epidermolysis bullosa és ennek a recesszíven öröklődő típusa. A domináns öröklődésű esetben a 3-as kromoszóma kis karján 21.3 pozícióban ha a kromoszómapár mindkét tagján ugyanolyan hibás változata van jelen a COL7A1 génnek, csak akkor alakul ki a betegség, míg ha csak az egyiken, akkor az utód sanszos, hogy egészséges. 

Szinte ugyanennek a betegségnek, azaz a recesszíven öröklődőnek viszont teljes más a genetikai háttere, lényeg, hogy az MMP1 gén egy mutáns típusa van jelen és a COL7A1 hibás változata ekkor önmagában is kialakítja a betegséget, akkor is, ha az egészséges változatot meghatározó jelen van. 

A helyenként nagyon pongyola, de érthetőbb megfogalmazásért elnézést, többek közt csak arra szerettem volna ebben a posztban rámutatni, hogy a genetikában az az izgalmas, hogy gyakorlatilag minden alól van bizonyos szempontból kivétel, amiknek az azonosítását viszont csak a molekuláris biológiai módszerek tették lehetővé ésszerű idő alatt, klasszikus genetikai módszerrel nem voltak kimutathatóak. A fenotípusos és genotípusos arányokat eltoló tényezőkből persze még számos van, hogy fokozzam a dolgot, itt megjegyzem, hogy akár genetikailag tökéletesen identikus vagy szinte identikus egyedek, azaz egypetéjű ikrek, azonos génváltozatokkal sem tökéletesen egyformák fenotípusosan, aminek oka, hogy az ún. metilációs mintázat eltérhet és el is tér.