2017. szeptember 20. szerda
Friderika
Biotechnológia, molekuláris biológia és élettan az mRNS.hu-n

Az info@mrns.hu-ra küldhet linket vagy valamilyen anyagot, amit szeretne, ha hírként bemutatnánk.


Korábbi híreink  |   Keresés:

Kiválasztott hír:
Megosztás: Add az iWiW-hez Add a Facebook-hoz Add a Twitter-hez Add a Google Reader-hez Add a Startlaphoz
Hogyan élesszük fel az őslényeket- vagy azok fehérjéit 2. rész - 2012-08-07 09:20:24 Hozzászólás írása Hozzászólások száma 0 hozzászólás 
Hogyan élesszük fel az őslényeket- vagy azok fehérjéit  2. rész

Az elmúlt 150 évben az ősidők állatainak rekonstrukcióját elsősorban a külső felépítés, csontokból leolvasható információk összetétele jelentette. Egy több kutatócsoport eredményeinek együttes alkalmazásával kialakult projekt azonban lehetővé tette a jégkorszaki hideghez való alkalmazkodás molekuláris vizsgálatát is.

Szőkék és vörösek

A kutatás alapjául használt DNS forrása egy mamut, egész pontosan egy különös módon jól megmaradt, 43 ezer éves combcsont, melyet Eske Willersley a Koppenhágai Egyetem munkatársa talált Szibériában. A csoport választása a melanocortin 1 receptor (MC1R) nevű génre esett, mely a madarak tollazatának és az emlősök szőrszínének meghatározásában játszik szerepet. Az MC1R rövid, és viszonylag könnyű más sejtekbe juttatni, ahol molekuláris aktivitása jól mérhető, ezzel lehetővé téve a kutatók számára, hogy a DNS-t jól látható (marker) tulajdonságokhoz kapcsolják.

Minthogy a permafroszti mintákból származó szőr világos vagy sötét lehet, Hofreiter és munkatársai (University of York) feltételezték, hogy a génfunkcióban jelentkező különbségek a színkülönbségben nyilvánultak meg. A teljes MC1R gént alkotó 1236 nukleotid szekvenálásakor alapvetően két variáció vagy allél vált elkülöníthetővé. Az első, csupán egyetlen nukleotidban tér el a mai afrikai elefánt megfelelő génjétől, még a második típusban három különböző mutáció volt fellelhető, valamennyi a fehérjetermékben megjelenő aminosav szubsztitúcióként jelent meg.

Noha Hofreitert és munkatársait érdekelte, hogy a három szubsztitúcióból kettő olyan helyen történt, mely az evolúció során kevéssé változott, összehasonlításra alkalmas mutáció nem fordul elő más emlősökben, lehetetlen volt felmérni, hogy ez a ritka mutáció mennyiben befolyásolta a mamut kültakaró színezetét. Ugyanakkor a sejtekben a génaktivitás vizsgálata kimutatta, hogy a második allélvariáció mutációinak egyikében a szubsztitúció eredményeként a pigmentációs gén aktivitása lecsökkent. Más emlősök pigmentációs génjének aktivitásából ítélve ez a gyengébb aktivitású variáns valószínűleg szerepet játszott egyes mamutok szőkés szőrszínének kialakulásában.

Egy különös véletlennek köszönhetően, később Hopi Hoekstra, a San Diego-i University of California kutatója ugyanebben az időben fedezte fel, hogy a napjaink amerikaiegerének (Peromyscus polionotus) néhány populációjában az MC1R génnek mutációja ugyan azt a kulcsfontosságú aminosav cserét okozza, mely a második mamut-allélban is előfordult. Még fontosabb, hogy az allélt hordozó egerek szőre világos színű, amely a homokos környezetben előnyt jelentő rejtő szín. A mamutok esetében kevésbé egyértelműek a világos szín előnyei, hiszen az elődei, fák nélküli Szibériában, így is könnyen észrevehetőek maradtak. Mindamellett elképzelhető, hogy a „sápadt” szín mégis segített az állatokat melegen tartani a hideg, szeles környezetben, hasonlóan a ma élő világos színű madarak és emlősökhöz. Talán nehezen elképzelhető, hogy a világos szőr nagy mennyiségű napsugárzást ver vissza, pedig a beérkező sugárzást valóban szórja, továbbítja a bőrhöz, ahol hőként kötődik meg. Ezzel ellentétben a sötét szőr a külső felszínén szórja a sugárzást, ahonnan viszont a szél könnyen kisöpri a megkötött hőt.

Amikor megfagy a vér

Napjaink összes hidegtűrő emlősre –a rénszarvastól a pézsmatulokig- egy zárt keringési rendszer jellemző, melyben az artériák és vénák antiparalell irányban futnak  egymás mellett a végtagokban. Ez a rete mirabile, vagy csodálatos hálózat néven ismert elrendezés egy nagyon hatékony áramlás iránnyal ellentétes hőközvetítő, melyben a test belsejéből távozó, meleg, oxigéndús vér hőjének többségét átadja a szív felé haladó hűvösebb vénás vérnek. A bekövetkező hőmérsékleti gradiens teszi lehetővé, hogy a végtagok alig fagypont feletti felszínnel lépjenek közvetlen érintkezésbe különösebb hő veszteség nélkül. Az ilyen megoldások által kevesebb energiát (kalóriát) szükséges a testhőmérséklet fenntartására fordítani, ami kritikus előnyt jelent a sarkköri állatoknak a tél folyamán, amikor nehéz a kalóriákat megtartani. Paradox módon éppen ez az anatómiai sajátosság fosztja meg a végtagokat a megfelelő hemoglobin funkciók biztosításához szükséges hőenergiától. A gerinces állatokban a vörösvérsejt hemoglobin fehérjéje a tüdőkben megkötött oxigént szállítja a szövetekhez. A hemoglobin és az oxigén közötti gyenge kémiai kötés felbontása energiát igényel, azonban a hőmérséklet csökkenésével a hemoglobin oxigénkötő képessége drasztikusan lecsökken.

Hogy ezt a hiányosságot kompenzálja, a hidegtűrő emlősök hemoglobinja egy kiegészítő hőforrást is igényel. Noha a folyamat pontos molekuláris mechanizmusa még kevéssé ismert, az általánosságban elmondható, hogy itt a hemoglobin más molekulákat is megköt a vérsejten belül. A kémiai kötések létrejötte a hemoglobin és ezen molekulák között, hőenergiát szabadít fel, amely felhasználható segítségként a hemoglobin-kötött oxigén szövetekhez való szállításában.

Campbell csoportja, mely egészen idáig Hofreiter csoportjától függetlenül dolgozott, feltételezte, hogy a mamut hemoglobinban is a fentiekhez hasonlóan alakultak ki olyan változások, melyek az oxigén felszabadulást segítették a hidegben. A megszekvenált mamut hemoglobin gének összehasonlítása az ázsiai elefántéval valószínűleg megmutatják, hogy történtek-e ilyen változások, és ha igen, mik voltak azok.

Az Alan Cooper (University of Adelaide), ausztrál csoportjával való együttműködés korai szakaszában, mely során a mamut globin láncokat szekvenálják felmerült néhány hátráltató tényező: a leginkább elérhető mamut minták egyszerűen nem voltak elég jó minőségűek, hogy használható DNS-t lehessen nyerni belőlük. Ezen a ponton csatlakozott a csoporthoz Campbell csoportja és egyesített erővel az MC1R kutatásban alkalmazott DNS mintát használva hamarosan a két hemoglobin gén teljes kódoló szekvenciája és így az aminosav sorrend is láthatóvá vált.

Az elsődleges DNS-szekvenálási eredmények alapján az egyik mamut hemoglobin lánc variáns 3 ponton különbözött a 146 aminosav hosszú láncban. Ez nagy izgatottságot váltott ki, hiszen meg voltunk győződve, hogy ez az aminosav-szubsztitúció hármas az élettani hideg-adaptáció kézjegye. A hipotézist erősítette annak a ritka emberi hemoglobin-variánsnak, a Rush hemoglobin előfordulása is, mely a mamutban megfigyelt mutációk egyikét hordozza. Ugyan a Rush protein mindössze egyetlen aminosavban tér el az általános humán hemoglobin fehérjétől, ez is nagyban megváltoztatja biokémiai tulajdonságait, ami által nagyban csökken a hőérzékenysége, így könnyebben képes leadni az oxigént még hideg időben is, épp úgy mint a mamutok esetében.

A következő lépés, hogy láthassuk, a változások valóban okoztak-e hidegadaptációt, a mamut-hemoglobin fehérjék felélesztése, és azok működés közbeni megfigyelése volt. Hogy a mamut hemoglobin összetevők génjének részleteiről másolatokat tudjunk készíteni, az ázsiai elefánt véréből nyertünk intakt hemoglobin géneket, majd a három nevezetes pontban a mamutszekvenciáknak megfelelően módosítottuk. Ezután a mamutszerű szekvenciákat az Escherichia coli baktériumba építettük be, arra kényszerítve a sejteket, hogy a 43 ezer évvel ezelőtti, mamutok vérében keringő hemoglobintól külsejében és funkciójában megkülönböztethetetlen fehérjét termeljenek.

A történelemben először nyílt meg a lehetőség, hogy egy kihalt állatban lejátszódó fontos élettani folyamatokat éppen úgy vizsgáljuk, mint ahogyan azt egy modern élőlényben tennénk. Óvatosan mértük mind az elefánt mind a mamut hemoglobin oxigénkötő- és leadó képességét különböző élettanilag releváns hőmérsékleten, egy a vörösvérsejt belső kémiai környezetét modellezni kívánó oldatban. Amint azt a Rush hemoglobin kutatási eredményei alapján várni lehetett, a mamut fehérje könnyebben adta le az oxigént alacsonyabb hőmérsékleten (mindkét fehérje azonos működést mutatott a normális testhőmérsékleten, 37 °C-on). Érdekes módon mamut hemoglobin képessége, hogy egyéb molekulákat kössön meg kiegészítő energiaforrásként, teljesen más genetikai háttérből adódik, mint a ma élő sarkvidéki emlősök esetében.  Említést érdemel, hogy míg a mamutok esetében a mutáció mindenképpen előnyös, az emberi Rush fehérje esetében nem az, mivel a fehérje instabil és ez krónikus anémiához vezet. Hogy miért maradt fent tehát ez az előnytelen tulajdonság az emberben és nem a mamutban, még megválaszolásra vár.

A mamut "felélesztése"

Természetesen a hemoglobin adaptáció csak egyetlen darabja a kirakósnak, mellyel a gyapjas mamut alkalmazkodott a hideg körülményekhez, nem is beszélve a számos más kihalt ős-állatfajról, melyekről kevés információ áll rendelkezésünkre. Sajnos a számos ősi genom, mely az utóbbi években került szekvenálásra, kevéssé segíti a munkát, hiszen az alkalmazott shotgun-módszer random helyekről bocsát rendelkezésünkre szekvenciákat, így bár nagyobb áttekintésekre alkalmas, de nem elég teljes vagy akkurátus az élettani folyamatok megvilágításához, hacsak nem végzik el számtalan ismétlésben, ami viszont szinte megfizethetetlen.

Egy új technika, a hibridizáció elfogás (hybridization capture) a célgének sokkal nagyobb lefedettségét eredményezi viszonylag alacsony költségek mellett, így megoldja a széleskörű összehasonító vizsgálatok nehézségét, mint a Szibériai mamutok fehérje-hálózatának összehasonlítását a melegebb interglaciális időszakokban és a leghidegebb jégkorszakokban. A hybridization capture azt is lehetővé teszi, hogy egymástól földrajzilag elhatárolódott populációkat hasonlítsunk össze, mondjuk a szibériai és spanyol mamutokat. Az ilyen vizsgálatok nem csak a fajok közötti genetikai variabilitást engedi megfigyelni, hanem az éghajlati és földrajzi különbségekre adott élettani válaszok rendszerébe is bepillantást nyerhetünk. Izgalmas jövőbeli használati lehetőségei (gondoljunk csak bele amint 50 ezer év evolúciója a szemünk láttása bontakozik ki, paleofiziológiai vizsgálatok lehetősége valamelyest limitált. Persze az ideális az lenne, ha a kihalt állatok fehérjéit is in vitro vizsgálhatnánk, hiszen számos tulajdonság csak az élő szervezetben mutatkozik meg. Az ilyen vizsgálatok azonban valószínűleg még jóideig nem lesznek elérhetőek, hiszen egy teljes organizmus újraélesztésére lenne hozzá szükség.

Egyelőre be kell érnünk annyival, hogy képesek vagyunk ősi fehérjéket kémcsövekben és sejtkultúrákban megfigyelni. A fenti technikákat már alkalmazzuk más eltűnt állatok élettani vizsgálataira, mint a masztodon és a jóval később kihalt sarki tengeri emlős a Steller-tengeri tehén (Hydrodamalis gigas). Az ennél összehasonlíthatatlanul bonyolultabb klónozás az ilyen élőlények esetében a közeli jövőben csak a fantázia birodalmában lehetséges. Addig is folytatjuk kutatásainkat hogy akár fehérjénként életet leheljünk ezekbe a régen eltűnt teremtményekbe.

Forrás: Scientific American,
Kép

2012. augusztus 6.

Király Kata

Kapcsolódó cikkünk:
Hogyan élesszük fel az őslényeket- vagy azok fehérjéit  1. rész

Cikk ajánlása » email:
Hozzászólás írása
Hozzászólás
 

Értékelések száma: 4, Cikk értéke (1-10):


Értékelje ezt a cikket! 


Hirdetés
Email cím:
Jelszó:

Regisztráció »
Elfelejtett jelszó »
Portálunk oldalai megfelelnek az egészségügyi információk megbízhatóságát és hitelességét garantáló HONcode előírásainak. Ezt: itt ellenőrizheti
Portálunk oldalai megfelelnek az egészségügyi információk megbízhatóságát és hitelességét garantáló HONcode előírásainak. Ezt:
itt ellenőrizheti
.
Oldal ajánlása (email):
Az ajánlót küldi (név):
Hirdetés