13. ábra. A genetikai információátadás irányai.
(Forrás: Sebe, 1986)
A gének
A DNS és RNS tripletjei, kodonjai alkotják a genetikai ábécé betűit; ezekből állnak össze az értelmes szavak, üzenetek, a gének.
A gén fogalma nagyon sokat módosult, finomodott, amióta 1909-ben W. L. Johannsen dán genetikus a mendeli öröklődési tényezővel analóg, egyenértékű fogalomként bevezette.
A mai felfogás szerint a gén a tulajdonságok öröklődésének anyagi egysége, a DNS-molekulának az a szakasza, amely meghatározott tulajdonságot létrehozó fehérjemolekulák szintézisét irányítja. A gének funkcionális egysége az a szakasz, amely egyetlen polipeptidlánc szintéziséért felelős, ez a cisztron tehát a legegyszerűbb gén. A gének hosszúsága arányos az általuk kódolt fehérje hosszúságával. A baktériumokban például a fehérjék átlagos hossza 300-500 aminosav-maradék; a gének átlagos hossza ennek megfelelően 900-1500 nukleotid (egy aminosav = három nukleotid).
A gének száma természetesen a szervezet komplexitásától függ. A vírusokban néhány gén elegendő a genetikai program tárolására, a baktériumokban már 2-3000 génre van szükség, az emlősök genetikai állományát, programját több tízezer gén őrzi. Az ember génjeinek számát 30-50000-re (egyes kutatók 100000-re), s a DNS-szálban található bázispárok számát 100 millióra becsülik.
A legújabb kutatások eredményei azt mutatják, hogy a par excellence emberi tulajdonságokat mindössze 500 gén hordozza. Az eukarióta sejtekben - mint arról már volt szó - a DNS-molekulák a kromoszómákba rendezve, a sejtmagban találhatók, minden kromoszómában egy hosszú DNS-molekula van.
A kromoszómán azt a helyet, ahol egy bizonyos gén elhelyezkedik, lokusznak nevezzük.
Az ivarosan szaporodó élőlények sejtjeiben az apai és anyai kromoszómák párokat alkotnak, s így hozzák létre a génállományt, amelyet - illetve az általa meghatározott genetikai információk összességét - genotípusnak nevezzük. A sejtekben minden génből két példány található - az apai és az anyai örökség. Azokat a géneket, amelyek azonos tulajdonságokat határoznak meg, s a homológ kromoszómák azonos lokuszain helyezkednek el, alléloknak nevezik. Az aléllpár tagjai lehetnek teljesen azonosak, de lehetnek ugyanazon gén különböző változatai is (a bázissorrend nem teljesen azonos). A gén megnyilvánulása a fén (bélyeg, tulajdonság, jelleg), s a genotípus érvényre jutó része a fenotípus. A genotípus a kódolt információ, a fenotípus mindaz, ami ebből érvényre jut. S ebben a környezeti tényezőknek is szerepük van.
Ha egy gén két allénja azonos, az egyed az illető tulajdonságra nézve homozigóta. (A két gén egyértelműen határozza meg a tulajdonságot. A fenotípus híven tükrözi a genotípust.) A homozigóta-jelleg természetesen vonatkozhat több vagy akár minden génre is. Ha két allél különböző, a szervezet heterozigóta. Ebben az esetben a tulajdonság többféleképpen nyilvánulhat meg, a fenotípus kialakulására több lehetőség van. Ha az allélpár egyik tagja teljesen elnyomja a másikat, akkor teljes egészében az általa meghatározott jelleg, tulajdonság fog érvényre jutni. Ebben az esetben teljes dominanciáról beszélünk. Inkomplett dominanciáról van szó, ha bizonyos mértékig a másik allél is “szóhoz jut”, s kodominanciáról; ha két allél egyenlő mértékben érvényesíti hatását.
Vannak olyan tulajdonságok, amelyeket egyetlen lokusz génjei határoznak meg. Ezeknél monolokuszos vagy monogénes öröklődésről beszélünk. Nagyon sok tulajdonság kialakulásához azonban több - 4, 8, 10, vagy még több - gén alléljainak együttes jelenlétére van szükség. Ezek a poligénes jellegek (pl. állatoknál a tejhozam). Ilyen esetben a fenotípus kialakulásának a lehetőségei sokkal bonyolultabbak.
Előfordulhat, bár ritkábban, hogy egy gén több tulajdonságot is meghatároz.
Két eset lehetséges. Az egyikre az mRNS átszerkesztésének tanulmányozása során jöttek rá a kutatók. Az elsődleges átiratból, amelyben több exon van, újraszerkesztés során különböző hosszúságú mRNS-ek állíthatók össze; aszerint, hogy hány exont tartalmaznak. Az ilyen géneket összetett átírási egységeknek nevezték el. A másik esetben - ezt a jelenséget pleiotrópiának nevezik - a gén által kódolt termék, enzim több anyagcsere-folyamatban is részt vesz. Az egy kromoszómán található gének úgynevezett kapcsolódási csoportot alkotnak, s az általuk meghatározott tulajdonságok - bár egymástól lényegében függetlenek - együtt öröklődnek.
A gének egymás mellett lineárisan helyezkednek el, követik egymást, és nincs köztük átfedés. Bonyolult kísérletekkel sikerült “feltérképezni” egyszerű élőlények, például az ecetmuslica kromoszómáit. A kromoszómatérképen azt tüntetik fel, hogy az egyes tulajdonságokat meghatározó, kódoló gének milyen sorrendben helyezkednek el a kromoszómákon, illetve a DNS-molekulában. Az emberi kromoszóma feltérképezésének is nekiláttak, s a mai napig sikerült néhány száz gén helyét meghatározni. Természetesen a teljes emberi kromoszómatérkép elkészítéséhez még rengeteg munkára van szükség.
A génműködés szabályozása
A gének irányítják - a fehérjeszintézisen keresztül - a szervezet működését. De mi szabályozza és hogyan a gének működését? Hiszen amint láttuk, a szervezet minden sejtje kromoszómáiban a teljes génkészletét tartalmazza, s a sejtek mégsem egyformán működnek. Vannak sejtek, például az agy sejtjei, amelyek egyáltalán nem szaporodnak, más sejtek különböző funkciók ellátására, különböző termékek előállítására szakosodnak. Másrészről külső és belső körülményektől függően ugyanazon termékből hol többre, hol kevesebbre van szükség. Létezniük kell tehát különböző rendszereknek, amelyek a génműködést szabályozzák.
A többsejtű élőlények életének első szakasza az egyedfejlődés. Lényege, hogy egy sejtből - a megtermékenyített petesejtből, a zigótából - sok különböző, egymással összefüggő, együttműködő sejt jön létre. Az egysejtű lény egyetlen sejtje maga látja el az élethez szükséges összes funkciókat, az anyagcserét, mozgást, szaporodást stb. A többsejtűekben különböző specializálódott sejtek vagy sejtcsoportok, szövetek szolgálnak a különböző funkciók ellátására. Az egyedfejlődés során tehát a sejtek differenciálódnak.
Hogyan mennek végbe a fejlődés egyes lépései, hogyan rendeződnek el a térben a szakosodott sejtek, hogy létrehozzák a szöveteket, s mindez a megfelelő időben és sorrendben?
A petesejt megtermékenyülésekor génállománya felszabadul minden gátlás, represszió alól, totipotenssé válik: teljes fejlődési kapacitással rendelkezik, képes a szervezet minden sejtjének létrehozására. A totipotencia már a csíralemezek kialakulásakor beszűkül: pluripotenciává alakul. A csíralemezek már csak meghatározott típusú sejteket képesek létrehozni. A fejlődés folyamán a potenciák fokozatosan tovább szűkülnek, egészen a szakosított sejtek unipotenciájáig. A petesejt totipotenciája azt jelenti, hogy a génjeiben tárolt információkból, a genomjából bármi megvalósulhat, a specializálódott sejtek unipotenciája pedig azt, hogy minden le van zárva, kivéve a sajátos funkciókat. “A potenciák beszűkülése tehát a genom bizonyos - túlnyomó - részének repressziója; amely természetesen mindenfajta sejtben más és más” (Csaba, 1978).
Hogy az egyedfejlődés során hogyan történik a gének szabályozása, hogyan jön létre a géneknek a sejtfajtáknak megfelelő repressziója, nagyon izgalmas kérdés, s a mai napig nem sikerült kidolgozni egy olyan modellt, amely minden részletkérdésre elfogadható, helyes választ adna. Az bizonyos, hogy a szabályozás több szinten zajlik: a sejtmagban, a citoplazmában s a sejten kívül, a sejtek között. Valószínű, hogy a magasabb rendű élőlényekben - figyelembe véve a gének nagy számát - egy olyan rendszer működik, amely géncsoportokat s nem külön-külön egyes géneket szabályoz.
A génműködés szabályozásában először is maga a DNS vesz részt, a fentebb leírt szuperhélix-képződés kedvez a duplex széttekeredésnek, s amellett választ ad arra a kérdésre: “hogyan képesek a lineáris DNS-ben az egymástól szükségszerűen távol, szétszórtan elhelyezkedő szabályozó elemek magával a génnel kommunikálni” (Felsenfeld, 1985).
Amerikai kutatóknak a nyolcvanas évek elején sikerült azonosítaniuk az ecetmuslicában néhány egyedfejlődést irányító gént. Azt is megállapították a molekuláris biológia új módszereivel, hogy a legtöbb vezérlőgénben található egy közös DNS-szakasz, amelyet homeoboxnak neveztek el. A gének, amelyek ezt a szakaszt tartalmazzák, képessé válnak más gének szabályozására. “Amikor a homeoboxot tartalmazó gén lefordítódik fehérjévé, maga a homeobox egy olyan aminosavláncot állít elő, amely feltehetőleg a DNS kettős hélixéhez kötődik. Adott gének DNS-éhez kötődve, ez a fehérje ki- vagy bekapcsolhatja azokat.
A homeobox azonban a Drosophilán túlmenő jelentőségű. Ilyen közös nukleotidsort már számos szervezetben találtak, a férgektől az emberig. Lehet, hogy a homeobox az a kulcs, amely feltárhatja a magasabb rendű élőlények egyedfejlődésének mechanizmusait” (Gehring, 1985).
Minden valószínűség szerint az egyedfejlődésnek is van egy genetikai programja, amely ezekbe a homeoboxokba van bezárva.
A sejtmagban a hisztonok és a nemhiszton fehérjék szabályozzák a génműködést. A hisztonok azzal, hogy hozzákötődnek a génekhez, gátolják működésüket, a nemhiszton fehérjék pedig a hisztonok inaktiválásával felszabadítják a megfelelő géneket a gátlás alól. A génaktivitás gátlásában szerepe van a citozin metilezésének is. A vizsgálatok, kísérletek bebizonyították, hogy a gének néhány fajlagos helyének metilezése megszünteti a génaktivitást.
Mint minden fehérje, a hisztonok és nemhiszton fehérjék is a citoplazmában szintetizálódnak. Feltételezik, hogy a citoplazmában működik egy olyan önfenntartó rendszer, amely - a DNS-től kapott információk alapján összeállított stabil mRNS-ek segítségével - irányítja a sejt működését.
Valószínű, hogy a maghártya is részt vesz a sejtdifferenciálódás és a sejtműködés szabályozásában, azáltal, hogy “beleszól” abba, mi kerüljön ki a sejtmagból, és mi kerüljön be oda.
Sejten kívüli tényezők is szerepet játszanak ebben a folyamatban. Az induktorok és gátló anyagok receptorok közvetítésével fejtik ki hatásukat. Ha a receptor a sejtmembránban van - membránreceptor - az induktor vagy gátló anyag hatására egy reakciósort indít meg a sejtben, amelynek termékei befolyásolják a differenciálódási folyamatot. A citoszol receptorok, amelyek főleg a szteroid hormonok megkötésében játszanak szerepet, a megkötött hormonnal vagy induktorral bejutnak a sejtmagba, s ott közvetlenül fejtik ki hatásukat a DNS-re. Ilyenszerű mechanizmussal magyarázható mindazoknak az anyagoknak, gyógyszereknek, vegyszereknek, hormonoknak stb. a hatása, amelyek kapcsolódni tudnak a DNS-hez vagy a represszor anyagokhoz.
A sejtek közötti kapcsolatoknak is szerepük van a sejtműködés szabályozásában. A különálló egyedi sejt másképp viselkedik, mint a közösségben, szöveti vagy szervkötelékben lévő.
A vizsgálatok azt mutatják, hogy a sejt-sejt kapcsolatnak indukciós és gátló hatása van, s ez különösen a differenciált állapot fenntartásában fontos.
A géntevékenység leírására számos modellt dolgoztak ki, s ezek egyre jobb megközelítésben magyarázzák a bonyolult szabályozási mechanizmusok működését. Az alábbiakban vázlatosan bemutatjuk az F. Jacob és J. Monod által 1961-ben kidolgozott - ma már klasszikusnak számító - operonmodellt. A modell a baktériumokban folyó génkifejeződés mechanizmusát írja le, de alapelvként a magasabbrendűeknél is elfogadható.
A funkcionális egységekként felfogott géneknek a következő formái vannak:
- Strukturális gén (S): a strukturális vagy enzimfehérjék szintéziséhez szükséges információkat tárolja; rendszerint több strukturális gén található a DNS-láncban egymás mellett.
- Operátor gén (O): közvetlenül a strukturális gén előtt helyezkedik el, “vegyi kapcsolóként” működik, beindítja vagy sem a strukturális gén működését; képes a represszornak nevezett szabályozó fehérje megkötésére.
Az operátor gén és a hozzátartozó strukturális gének együtt alkotják az operonnak nevezett funkcionális egységet. Egy operon - a benne található strukturális gének számától függően - egy több polipeptidláncból álló óriásmolekula szintézisét vagy akár egy egész anyagcsere-folyamatot szabályozhat, a benne részt vevő enzimek szintézisének szabályozásával.
- Regulátor gén (R): tartalmazza a represszor szintéziséhez szükséges információkat. Ez a fehérje az operátorgénekhez kapcsolódva meggátolja a hozzá tartozó strukturális gének működését. A regulátor gén a DNS-lánc távolabbi szakaszán is elhelyezkedhet.
- A promotor gén vagy régió (P): a DNS-nek az a több száz nukleotidból álló szakasza, amely az operátor gén előtt található. Ehhez a szakaszhoz kötődik az RNS-polimeráz enzim, s végigcsúszik a DNS-láncon, anélkül hogy megindítaná az RNS-szintézist. Ha az operátor gén szabad utat enged az enzimnek, az eljut a strukturális gén start triplettjéhez, és megindul a szintézis.
A rendszer működéséhez szükség van még két, közös néven effektornak nevezett kismolekulájú anyagra, az induktorra, illetve korepresszorra.
S még két feltételnek kell teljesülnie: a regulátor génen állandóan kell folynia az mRNS szintézisnek, hogy a represszor mindig biztosítva legyen, másrészt az mRNS-nek instabilnak kell lennie, hogy képzésének hiányában a fehérjeszintézis nagyon hamar leálljon.
Hogyan működik az operonszabályozás?
Indukálható rendszerben a represszor, amelynek szintézise a regulátor gén irányítása alatt állandóan folyik, induktor távollétében az operátor génhez kapcsolódik, s gátolja a promotorhoz kötődő RNS-polimeráz továbbjutását. Így a strukturális gének nem léphetnek működésbe. Gátlás lép fel.
Ha induktor jelenik meg a rendszerben, a represszor kapcsolódik vele, s a keletkezett komplex már nem tud kötődni az operátor génhez, az RNS-polimeráz szabad utat kap, megindul a strukturális géneken az RNS szintézise.
Represszálható rendszerben korepresszor hiányában a represszor nem képes az operátor génhez kapcsolódni, s így a strukturális gének működnek. Ha a rendszerben megjelenik a korepresszor, a represszorral olyan komplexet alkot, amely kapcsolódik az operátor génhez, s az RNS-polimerázt meggátolja abban, hogy a strukturális génhez jusson.
Ilyenformán működik az ún. végtermékgátlás egyik formája. A sejtben az anyagcsere-folyamat felhalmozódott végterméke lép fel korepresszorként, s gátolja a folyamathoz szükséges enzim szintézisét.
A DNS-láncban a kutatók olyan szakaszokat is találtak, amelyek az átírás sebességét szabályozzák. Ezeket a nukleotidszakaszokat erősítőnek, enhancernek nevezték el. Működése még nem teljesen tisztázott, de valószínű, hogy szerepet játszik benne valamilyen fehérjének a megkötése.
Az előbb említett végtermékgátlás a szabályozásnak egy másik lehetőségére utal: az enzimtevékenység révén történő szabályozásra. Az enzimek segítségével az anyagcsere-folyamatok és a géntevékenység szabályozása kétféleképpen történhet: vagy az enzim mennyiségének, vagy az enzim aktivitásának változtatásával.
A sejtosztódás szabályozásának felderítésében is sok eredmény született az elmúlt két évtizedben, s ezek alapján különböző modelleket dolgoztak ki. Ismertetésük azonban nem fér be könyvünk kereteibe.
A mutációk
Az elmúlt évtizedekben mind a kutatók, mind a nagyközönség részéről egyre élénkebb érdeklődés nyilvánult meg a génmutációk iránt. Ennek két oka van. Egyrészt tudatosodott bennünk, hogy olyan környezetben élünk, amelyben egyre szaporodnak a génjeinket potenciálisan vagy ténylegesen károsító tényezők (vegyi anyagok, radioaktív sugarak, nagyfrekvenciás rezgések). Másrészt a géntechnológia, a génsebészet, genetikai ipar kialakulása, fejlődése hátborzongató, ijesztő távlatokat nyitott meg a szemünk előtt.
Mit nevezünk mutációnak?
Azt a folyamatot, amelynek során egy génfunkcióért felelős nukleinsav-részletben egy bázis kicserélődik (pontmutáció), vagy a nukleotid sorrendje megváltozik. A mutáció lehet spontán vagy indukált (ha a környezet mutagén tényezői váltják ki).
A bázisváltozások típusai a következők:
|
