A XX. század közepétől a DNS jelentőségének megismerését követően évtizedekig az örökítő anyagot tartalmazó genom fehérjét kódoló szakaszai, a gének mind részletesebb feltárása állt a kutatások és a figyelem középpontjában. A múlt évtizedben azonban egyre nagyobb figyelem irányult a genom egyéb szakaszai és azok hálózati kapcsolatai felé. Kiderült, hogy számos gén a DNS-hez kötődő szabályozó fehérjéket kódol. Az utóbbi években az is bizonyítható volt, hogy a genom fehérjét nem kódoló szakaszainak egy részéről olyan kisméretű szabályozó RNS-ek (például mikro-RNS) íródnak át, melyeknek nagyon fontos szerepük van a génműködés szabályozásában. Kimutatták, hogy ezek a génműködést szabályozó fehérjék és RNS-ek jelentős evolúción mennek át. Jelen áttekintés emellett két alapvető életfunkciót meghatározó génhálózat evolúciójával foglalkozik.

Génszabályozó fehérjék és RNS-ek

Az élő rendszerek biológiai információja két­féle, az egyik forrás a genom, azaz a teljes örökítő anyag. Az emberi genom mintegy 3,2 milliárd nukleotidbázist, „nukleotidbetűt” (A,G,C,T) tartalmaz, a testi sejtekben kettő, az ivarsejtekben egy példányban. Ez a kód lineáris, tehát az információ lineáris „betűsorrendet” jelent. A másik információ „analóg”, a környezet hatásai befolyásolják a lineáris kód hordozójának, a dezoxiribonukleinsavnak (DNS) „megszólalását”. Ennek eredményeképpen a digitális jellegű kód biológiai jelenségek révén (osztódás, differenciálódás, migráció, sejthalál stb.) „fejeződik ki”.

A DNS-modell leírása után 50 évvel a genetikával foglalkozó szakemberek körében és a tankönyvek nagy részében még tar­totta magát az álláspont, hogy a betegségek genetikai hátterében lényegében a fehérjét kódoló gének eltérései vehetők számításba. Az emberi gének számát a becslések először több mint százezerre becsülték, ám mai tudásunk szerint csupán 25–28 ezerre tehető. A „centrális dogma” szerint, a génekről messenger ribonukleinsav (mRNS) íródik át (transzkripció), amely módosítások után kijut a sejt citoplazmájában található „fehérjegyárakig”, a riboszómákig, és ott fehérjévé „fordítódik le” (transzláció). Később, előbb baktériumokban, majd magasabb rendűeknél is kiderült, hogy a gének egy része olyan fehérjéket határoz meg, amelyek a DNS-en a gének szabályozó részeihez kötődve azokat „ki- és bekapcsolják”, illetőleg fokozzák vagy csökkentik az átírást. Ezek az ún. transzkripciós faktorok. Ezen fehérjék is jelentős evolúción mentek át a törzsfejlődés során, diverzitásuk elsősorban az alapegységek számának többszöröződése, illetve kisebb-nagyobb módosulása révén nő. Ezt a folyamatot sematikusan az 1. ábra mutatja be.

1. ábra • A DNS-hez kapcsolódó transzkripciós fehérjék evolúciójának sémája. A folyamat során mutációk, duplikációk és deléciók következhettek be.

Ma már tudjuk, hogy a transzkripciós faktorok mellett génszabályozás a transzláció során is, tehát a sejtműködés egy másik szintjén is érvényesül. Kiderült, hogy mások mellett szerepel egy olyan szabályozás is, ahol az mRNS nukleotidjaihoz nagy fajlagossággal kis RNS-szálak is kapcsolódnak, és szelektíven gátolják azoknak a fehérjékké való fordítódását. Ezen kis RNS-ek keletkezéséről és hatásaikról csak az elmúlt években szereztünk tudomást. A két génszabályozó mechanizmust a 2. ábra szemlélteti.

Végleg megdőlni látszik a dogma, amely szerint a genetikai információ megőrzése csak a fehérjét kódoló DNS-ek továbbörökítésére szorítkozik, hiszen az evolúció során fokozatosan nőtt a fehérjét nem kódoló genomiális szegmens aránya, embernél elérte a 98,7%-ot.

A genom nagy részét képező, fehérjét nem kódoló DNS-szekvenciákról sokáig azt feltételezték, hogy nincs funkcionális jelentőségük, mintegy felesleges hulladékként maradtak fenn az evolúció folyamán (junk DNS). Evolúciós értelemben azonban elégtelen volt a magyarázat arra, hogy a genom több mint 98%-a miért is lenne felesleges, és miért kerül­ne tovább a sejtosztódások során a következő sejtgenerációkba.

Régóta ismert emellett, hogy a fehérjéket kódoló géneken kívül eső DNS-szekvenciák az egyes geográfiai csoportok és etnikumok között jelentős különbségeket mutatnak. Valószínűtlennek tűnt tehát az a feltételezés, hogy a természetes szelekció izoláltan csak a fehérjét kódoló géneket érintette, szigetekként, az őket körülvevő genomikus óceánban. A csimpánz és az emberi genom leolvasása után azok összevetésénél is kiderült, hogy míg csak 0, 1% eltérés van a bázissorrendet tekintve a kódoló génekben, addig negyvenszer akkora (4%) a különbség a nemkódoló régióban. Külön érdekesség, és akár filozófiai következtetésekre sarkallhat az a tény, hogy az eltérések jelentős része éppen a magatartást szabályozó gének környékére esik.

Az utóbbi egy-két évben a sok kutató figyelme a genom ezen, eddig elhanyagolt (méretben domináns) szakaszáról átíródó, de fehérjéket nem kódoló RNS-ek funkciójának megismerése felé fordult.

Az RNS-típusok hagyományos felosztása szerint megkülönböztetünk transzfer RNS-eket, amelyek a transzlációban az aminosavak szállításában töltenek be kulcsszerepet, a már említett mRNS-eket, amelyek a genetikai információt közvetítik a génektől a riboszómáig, a riboszomális RNS-eket, melyek a riboszómák funkcionális egységei, valamint a kis nukleáris RNS-eket (snRNS), amelyek az mRNS „érési” folyamatában vesznek részt. Az utóbbi évek felismerései (Valencia-Sanchez et al., 2006) alapján az RNS-világ felosztását tovább bővíthetjük a népes mikro-RNS-ek (miRNS) és a short inhibitory RNS-ek (siRNS) csoportjával.

Ma, bioinformatikai becslések szerint azt tartjuk, hogy a humán gének igen nagy hányada, mintegy 40–50%-a mozaikszerűen egyidejűleg több miRNS összehangolt szabályozása alatt áll, ugyanakkor a miRNS-ek nagy része bizonyítottan egyidejűleg igen sok mRNS-hez is kötődik (Hua et al, 2006). Hallatlanul érdekes az a több esetben is igazolt megfigyelés, miszerint biológiailag egy folyamat elemeit kódoló különböző géneket ugyanaz a mikro-RNS-készlet szabályozza. A mikro-RNS-szabályozás komplexitását sejteti az a tény is, hogy míg a filogenezis során a gének száma csak kismértékben, addig a miRNS-ek száma több nagyságrenddel emelkedik (1. táblázat).

A mikroRNS-ek feladata a génexpresszió finomhangolása. Érdekes, hogy a növényektől a gerincteleneken át az emlősökig, a megismert miRNS-mediált szabályozó folyamatok olyan alapvető, életfontosságú funkciók érzékeny beállításában vesznek részt, mint az osztódás, a sejthalál vagy a differenciálódás (Sevignani et al, 2006). Számos miRNS jelentőségét bizonyították daganatokban is, a tumornövekedést serkentő onkogének és a növekedést gátló tumorszupresszor gének szinte mindegyike miRNS-kontroll alatt áll (Caldas et al., 2005).

Génhálózatok evolúciója

A biológiai és orvosi genetikai kutatás korábban elsősorban az egyes gének jelentőségével, csökkent vagy fokozott működésével foglalkozott. Ez a megközelítés érthető is volt, mert a genom teljes elolvasása előtt (az emberi genom esetében az első draft 2001. február 15-én és 16-án látott napvilágot (Lander et al., 2001; Venter et al., 2001) a legtöbb gént nem ismerték. Az emberi és a többi faj genomjának megismerése, a genomok nukleotidsorrendjének hozzáférhetősége azonban lehetőséget teremtett egyszerre több, sőt akár az összes gén „megszólalásának”, expressziójának egyidejű vizsgálatára. Hatalmas intellektuális ugrásnak tekinthető, hogy a folyamatok bioinformatikai elemzésével ma már nemcsak a

gének listáját ismerhetjük meg, hanem a gének működésének egymáshoz való hálózati viszonyát is. Ennek révén sokkal többet tudtunk meg a gének egymásra való közvetlen, vagy átkapcsoló géneken keresztül, a géntermékeken át érvényesülő hatásáról, így befolyásolhatóságáról is (Simkó et al., 2009).

A biológiai jelenségek komplexek, így genetikai hátterük megismerése is komplex szemléletet követel. Egy bonyolult jelátviteli folyamatban (pl. az inzulin hatása a sejtekre) tehát minden komponens (csomópontok) ismerete mellett ezek egymáshoz való viszonyának (élek) feltárása is szükséges. Betegségekben például sokszor ebben a viszonyrendszerben következik be módosulás (3. ábra).

3. ábra • A hálózat elemei (például gének) mellett a köztük lévő kapcsolatok is változhatnak A és B állapot között.

A génhálózatok evolúciós jellegzetességeit két, nagyon alapvető mechanizmus segítségével mutatjuk be.

Az egyik mindazon géneket tartalmazza, amelyek a genom stabilitásának fenntartásáért felelősek. Ezek például a DNS-hibák kijavításával foglalkozó gének (Kerzendorfer – O’Driscoll, 2009). Ez a mechanizmus teszi lehetővé az élő szervezetek generációkon át megtartott alapvető sajátosságait.
A másik géncsoport az apoptózis-gének, amelyek a programozott sejthalál bonyolult mechanizmusát szabályozzák (Elmore, 2007). Ezek a gének, a sejt életének végén, annak zavarmentes elpusztulását és eltávolítását irányítják. Ha ezek a gének a normálisnál fokozottabban működnek, akkor a degeneratív folyamatok dominálnak (például Alzheimer-kór), ha csökkent a működés, akkor a daganatos betegségek valószínűsége nő.

Az elmúlt pár évben tudtuk meg, hogy mindkét rendszer sok gént tartalmaz, melyek hálózatban, sokszorosan szabályozott, bonyolult együttműködésben működnek.

Mintegy száz apoptózis-gén és kb. nyolcvan genomstabilitás-gén „kapcsolatrendszerének” vizsgálata során kiderült (Castro et al., 2008), hogy a genomstabilitás és az apoptózis szegmenseken belül külön-külön is több száz génkölcsönhatás érvényesül (4. ábra), de a két rendszer egymással is jelentős számú közvetlen génkölcsönhatási kapcsolatban áll. Ráadásul a törzsfejlődés egyes állomásain található élő rendszerek genomstabilitási és sejthalál génhálózatai jelentős evolúción mentek át.

4. ábra • A körökben lévő számok az apoptózis- és a genomstabilitás-gének csoportján belüli illetve a közös gén–gén kapcsolatokat jelzi, a körök nagysága ezek arányára utal.

Ha az evolúciós változásokat egymáshoz hasonlítjuk, e két rendszerben kitűnik azok koevolúciós tendenciája.

Az evolúciós vizsgálat olyan bioinformatikai eszközrendszerrel történik, ahol az eljárás képes az egymásnak megfelelő szerkezetű és funkciójú géneket („ortológokat”) kiválasztani, és a hálózatban együtt kezelni.

Ha az így „normalizált” genomstabilitás/apoptózis hálózatokat a maláriát okozó Plasmodium parazita, a Caenorhabditis elegans nevű fonálféreg és az ember viszonylatában hasonlítjuk össze, egyértelműen kiderül, hogy a genomstabilitás rendszer az ősibb, az evolúció során viszonylag kevés változást mutat. Ugyanakkor az apoptózis hálózatok evolúciója nagyon jelentős. A mitokondriális eredetű apoptózis gének a legősibbek, hiszen ezek már az egysejtűnél is megtalálhatók, az endogén apoptózis mechanizmusokban szereplő egyes enzimek (kaszpáz) a fonalférgeknél kimutathatóak, míg a külső hatásokra beinduló sejthalál-kaszkádban döntő faktorok (pl. tumor nekrózis faktor) e három egymástól evolúciósan messze álló élő rendszerben csak az emberi apoptózis-gének között lelhető fel.
Ebben a rendszerben lehetőség nyílik az egyes génhálózatok plaszticitásának vizsgálatára is. A plaszticitás itt azt jelenti, hogy egyes nagy, drámai hatások (például egy sok gént érintő deléció, duplikáció vagy akár átrendeződés) nyomán miképp áll helyre a működés, például a genomstabilitás és apoptózis rendszer. Ez a szituáció transzgenikus állatmodelleken gének, géncsoportok „kiütésével” (knock-out) is szimulálható. Ezek a vizsgálatok is a genomstabilitás-gének nagyfokú, a sejthalál-gének kisebb mértékű konzervativizmusát igazolták.

Ezzel a hálózatos ábrázolással sikerült azt is kimutatni, hogy emberi tumorokban a genomstabilitás-gének változatai inkább öröklődő, míg az apoptózis-rendszer komponenseinek sokféleségét inkább az egyedi élet során (például környezeti hatásokra) kialakuló mutációk alakítják ki.

A génhálózatok kialakulásának, kapcsolati szövedékének, plaszticitásának megismerése többek között arra ad majd lehetőséget, hogy új gyógyszerek tervezésénél a megfelelő célpontokat válasszák ki a betegségek eredményesebb kezelése érdekében. Ez a genetikusok, orvosok, bioinformatikusok közötti szorosabb együttműködést igényli és teszi lehetővé a közeli jövőben.
 

Kulcsszavak: gén, génhálózat, nem átíródó RNS-szekvenciák, mikro-RNS, transzkripciós faktor, genomstabilitás, programozott sejthalál
 

IRODALOM

Caldas, Carlos – Brenton, James D. (2005): Sizing up miRNAs as cancer genes. Nature Medicine. 11, 712–714.

Castro, Mauro A. A. – Dalmolin, R. J. – Moreira, J. C. – Mombach, J. C. – de Almeida, R. M. (2008): Evolutionary Origins of Human Apoptosis and Genome-stability Gene Networks. Nucleic Acids Research. 36, 19, 6269–283.    WEBCÍM >

Elmore, Susan (2007): Apoptosis: A Review of Programmed Cell Death. Toxicologic Pathology. 35, 4, 495–516.    WEBCÍM >

Feuer, Michael J. – Towne, L. – Shavelson, R. J. (2002): Scientific Culture and Educational Research. The Educational Researcher. 31, 8, 4–14. (újraközlés):  WEBCÍM >

Hua, Zhong – Lv, Q. – Ye, W. – Wong, C. K. – Cai, G. (2006): MiRNA-Directed Regulation of VEGF and Other Angiogenic Factors under Hypoxia. PLoS ONE. 1:e116.   WEBCÍM >

Kerzendorfer, Claudia – O’Driscoll, Mark (2009): Human DNA Damage Response and Repair Deficiency Syndromes: Linking Genomic Instability and Cell Cycle Checkpoint Proficiency. DNA Repair (Amst). 8, 9, 1139–1152.

Lander, Eric S. et al. (252 coauthors) International Human Genome Sequencing Consortium (2001): Initial sequencing and analysis of the human genome. Nature, 409, 6822, 860–921.  WEBCÍM >

Sevignani, Cinzia – Calin, G. A. – Siracusa, L. D. – Croce, C. M. (2006): Mammalian microRNAs: A Small World for Fine-Tuning Gene Expression. Mammalian Genome. 17, 189–202.   WEBCÍM >

Simkó Gábor I. – Gyurkó D. – Veres D. V. – Nánási T. – Csermely P. (2009):
Network Strategies to Understand the Aging Process and Help Age-related Drug Design. Genome Medicine. 1, 9, 90.

Valencia-Sanchez, Marco Antonio – Liu, J. – Hannon, G. J. – Parker, R. (2006): Control of Translation and mRNA Degradation by miRNAs and siRNAs. Genes Dev. 20, 515–24.    WEBCÍM >

Venter, J. Craig et al (228 coauthors) (2001): The Sequence of the Human Genome. Science. 291, 5507, 1304–1351.   WEBCÍM >