Ember és a csimpánz: eltérés ezer génben

Az ember és a csimpánz génjeinek legalább 97 százaléka közös. Ezért is okoz annyi fejtörést a kutatóknak, mitől különbözik annyira a két faj. Az Amerikai Tudományos Akadémia folyóiratának (PNAS) legutóbbi számában megjelent tanulmány, amely a transzkripciós (a DNS átírását szabályozó) faktorokkal foglalkozik, rávilágít arra, hogy a genom tartalma talán kevésbé jelentős, mint az a mód, ahogy ezt a tartalmat felhasználják az élőlények.

A vizsgálatokat végző amerikai kutatók jelentős különbségeket tapasztaltak az emberek és a csimpánzok génaktivitása között, ami majdnem 1000 gént érintett. Ezek átírásában mintegy 90 transzkripciós faktor vett részt. A transzkripciós faktorok olyan fehérjék, amelyek a DNS specifikus területeihez kötődve serkentik vagy gátolják számos gén aktivitását. Egyetlen transzkripciós faktor több tucatnyi génnek a messenger (hírvivő) RNS-sé (mRNS) való átírását tudja serkenteni. Az mRNS-ek fordítódnak le azután fehérjékké, amelyek a sejt működéséért felelősek. Ez a mechanizmus teszi lehetővé az egyes szervek vagy szövetek számára, hogy gyorsan reagáljanak a környezeti változásokra vagy a belső szükségletek módosulására.

A génkifejeződés leginkább az agyban tér el

Korábbi vizsgálatok már kimutatták, hogy az emberek és a csimpánzok génkifejeződése közt különösen az agyban figyelhető meg jelentős különbség. Az anyagcserében vagy a proteintranszportban (fehérjeszállításban) szerepet játszó gének például sokkal jelentősebb mértékben fordítódnak le mRNS-sé az emberi agyban, mint a csimpánzok jóval kisebb agyában. Az emberben ugyanis a fehérjéknek sokkal nagyobb utat kell megtenniük a szinapszisokig, amelyből szintén sokkal több található az emberi agyban, mint a csimpánzéban. Ráadásul az emberi agy energiaszükséglete is jóval magasabb.

Lisa Stubbs, az Illinoisi Egyetem sejt- és fejlődésbiológia professzora már régóta foglalkozik a transzkripciós faktorok és a genom más szabályozó anyagainak evolúciós szerepével. Elsősorban a transzkripciós faktoroknak az emlősökben előforduló legnagyobb családját, az úgynevezett KRAB cinkujj-fehérjéket (KRAB zinc finger, KRAB-ZNF) kódoló géneket tanulmányozza. (A cinkujj-fehérjék olyan enzimek - nukleázok -, amelyek az örökítőanyag bizonyos pontjain képesek átvágni a DNS-molekulát.) A cinkujj-fehérjéket kódoló gének szekvenciájában átlagosan jóval több különbség halmozódott föl az emberek és a csimpánzok között, mint bármely más génben. Meggyőződése szerint ezek a transzkripciós faktorok szerepet játszanak a fajképződésben (speciáció), és azon jellemzők létrehozásában, amelyek egyedivé teszi a fajokat.

Rendszerbiológiai megközelítés

A cikk vezető szerzője, Katja Nowick az ember és a főemlősök evolúcióját tanulmányozza, és tagja volt a lipcsei Max Planck Evolúciós Antropológiai Intézet azon kutatócsoportjának, amely az emberek és a csimpánzok génkifejeződése közti különbségeket elemezte. A mostani tanulmányban Nowick és Tim Gernat számítógépes szakember, a cikk társszerzője új módon vizsgálták meg a korábbi vizsgálatból származó adatokat. Hat emberi és öt csimpánzból származó szövetmintában követték nyomon a génkifejeződést, beleértve a transzkripciós faktorokat kódoló génekét is. Az elemzés föltárta a mintegy 1000 emberi, illetve csipánzgénnel kapcsolatos 90 transzkripciós faktor átfogó aktivitásmintázatát.

Eivind Almaas, a norvég Természettudományi és Műszaki Egyetem munkatársa, a tanulmány társszerzője kifejlesztett a transzkripciós faktorokra egy génszabályozási hálózatdiagramot azt figyelembe véve, hogy a faktorok serkentő vagy gátló hatással vannak-e a génekre. A transzkripciós faktorok egymáshoz való közelsége a hálózatban a velük kapcsolatba hozható gének listájában mutatkozó átfedés mértékétől függ. Az emberekre és a csimpánzokra külön-külön elkészített hálózati diagramokból néhány érdekes különbségre derült fény.

Az emberi agyban működő transzkripciós faktorok topológiailag átfedő hálózata. A csimpánz agyában lévő transzkripciós faktorokhoz képest túlműködésre (up-regulated) késztetett faktorokat piros szín, az alulműködésre (down-regulated) késztetetteket zöld szín jelöli. A transzkripciós faktorok közötti pozitív, illetve negatív kapcsolatokat piros és zöld vonalak mutatják

A csimpánz hálózat nagyon hasonlóan néz ki, mint az emberi, azt leszámítva, hogy néhány transzkripciós faktor más helyen és más kapcsolódásokkal található meg benne, magyarázza Stubbs. Ezek azért érdekesek, mert jelzik a fajok közötti nagyobb génszabályozási változásokat, és ezek a változások segítenek megmagyarázni a biológiai különbségek egy részét.

Az új eredmények arra utalnak, hogy bizonyos transzkripciós faktorok összehangolt módon dolgoznak együtt, és így szabályozzák az emberek és a csimpánzok között a génkifejeződésben megfigyelhető különbségeket.

Mi a rendszerbiológia?

A biológia tudománya az elmúlt évtizedben drámai változáson ment keresztül, hála a kísérletes módszerek ugrásszerű fejlődésének és az internet terjedésének. Ma már hatalmas adattömeg áll rendelkezésre nemcsak az élőlények genetikai térképeiről, hanem az egyes gének működéséről és kölcsönhatásaikról is. Ugyanakkor az is világossá vált, hogy az élőlények működését nem lehet csupán az egyedi génműködések alapján megérteni, hanem ehhez a nagyszámú gén együttes, rendszerszintű viselkedését kell vizsgálni. E felismerés révén ma már egyre fontosabb szerep jut a rendszerbiológiai megközelítéseknek, amely során a kutatók számítógépek segítségével több száz, vagy akár több ezer gén kölcsönhatásából igyekeznek levezetni az élő sejt viselkedését vagy a gyógyszerhatóanyagokra adott válaszát. Napjainkban a rendszerbiológia egyik fő kihívása az, hogy hogyan lehet a rendelkezésre álló óriási adattengerből értelmezhető tudást automatizáltan kinyerni és ez alapján újabb kísérleteket tervezni.

Ha már kialakul a transzkripciós faktorok hálózata, akkor a hálózaton belüli változások felerősödhetnek, mert a transzkripciós faktorok más géneket is szabályoznak, mondja Nowick. A felerősödés miatt a transzkripciós faktorok kifejeződésében bekövetkező egész kis változások is nagy hatással lehetnek a csimpánzok és az emberek között az átfogó génkifejeződésben észlelhető különbségekre.

Forrás: PNAS