VENETIANER PÁL

Modellszervezetek a biológiában

A biológiai tudományok számos részdiszciplínája foglalkozik a földi élővilág hihetetlen változatosságával, számtalan különböző formáinak alaki, életmódbeli különösségével, az életközösségek törvényszerűségeivel és azoknak a környezettel való kölcsönhatásaival. Az élőlények biokémiája, biofizikája, élettana, örökléstana közös, általános törvényeinek megismerését azonban csak a szerencsés véletlen, vagy alapos megfontolás révén kiválasztott néhány faj tüzetes vizsgálatának köszönhetjük. A biológia történetének nem egy óriása köszönheti Nobel-díját egy-egy ilyen fontos modellszervezet megtalálásának. Ahogy Sidney Brenner mondta: „A legfontosabb teendő: megtalálni a legjobb rendszert a probléma kísérleti megoldására, és ha ez a probléma elég általános, akkor ebben meg fogod találni a megoldást. Minden bizonnyal a kísérleti objektum kijelölése a legfontosabb dolog a biológiában, és azt hiszem, hogy ez az innovatív munkának a leggyümölcsözőbb útja… Az élővilág diverzitása oly nagy, és benne minden mindennel összefügg, hogy a lényeg: megtalálni a „legjobbat.” Ennek az elvnek a követése segítette Brennert 2002-ben (Sulstonnal és Horvitz-cal együtt kapott) Nobel-díjához, és annak átvételekor joggal mondhatta: „Ezt a díjat voltaképpen a féreg (a Caenorhabditis elegans, a Brenner által a kutatásba bevezetett kísérleti állat) kapta”.



Caenorhabditis elegans, a féreg

A cikkben (a teljesség igénye nélkül) néhány ilyen modellszervezetről és azok tudománytörténeti szerepéről lesz szó. Kezdjük mindjárt azzal a szerény növénnyel, a borsóval (Pisum sativum), amelynek a genetikai tudomány megszületését köszönhetjük. Gregor Mendel, az amatőr természetbúvár, amikor növényi keresztezési kísérleteibe kezdett, húsz különböző növényfajt vizsgált meg, amíg eljutott a borsóhoz, amivel klasszikus kísérleteit végezte, tehát a faj kiválasztásában nem játszott szerepet a szerencse. Az viszont egyértelműen a véletlennek köszönhető, hogy milyen tulajdonságok öröklődését vizsgálta. Csak az utókor derítette ki, hogy a Mendel által vizsgált tulajdonságokat meghatározó gének mind más-más kromoszómán helyezkedtek el, ezért állapíthatta meg Mendel a tulajdonságok egymástól független öröklődésének törvényét. Azt, hogy a borsó kiválasztása milyen fontos volt, az is igazolja, hogy Mendel a borsó után a hölgymállal (Hieracium) foglalkozván, nem tudta megismételni az alaptörvények megfogalmazásához vezető kísérleti eredményeit. A borsót tehát – azon kívül, hogy szeretjük főzelékként – nyugodtan tisztelhetjük a genetika tudománya megalapozójának, de ez egyszeri dicsőség volt, a tudomány további fejlődésében nem játszott fontos szerepet.

Ez a megállapítás semmiképpen nem érvényes a genetika következő totemállatára, az ecetmuslicára (Drosophila melanogaster), amely immáron több mint egy évszázada szilárdan őrzi szinte uralkodó szerepét a kísérleti állatok között. Thomas Hunt Morgan, aki korábban pókokkal, illetve embriológiával foglalkozott, a Columbia Egyetemre kerülve kezdett érdeklődni a genetika, és elsősorban De Vries mutációs elmélete iránt. A muslicát könnyű tenyészthetősége, rövid életciklusa és nagy szaporasága miatt választotta vizsgálati objektumnak 1908-ban, és kétévi munkával sikerült az első jellegzetes muslicamutánst, a fehérszemű (white) ecetmuslicát előállítania. Ez indította el azt a sikersorozatot a Columbia Egyetem híressé vált „légy-szobájában”, szintén zseniális munkatársaival, Bridgesszel, Sturtevant-nal és Mullerrel együtt, amely megalapozta az átöröklés kromoszómaelméletét egy 1915-ben megjelent klasszikus könyvvel, majd 1933-ban Nobel-díjhoz jutatta Morgant (később, 1946-ban Muller is Nobel-díjas lett). A tudománytörténetnek erről a fejezetéről egy sikeres népszerű ismeretterjesztő könyv „A légy urai” címmel számolt be (utalásként Golding híres regényére, A legyek urára). Morganékat a muslica kiválasztásában elsősorban a könnyű és gyors tenyészthetőség vezette. Még nem ismerhették azt a (csak 1933-ban felfedezett) rendkívül előnyös tulajdonságát, hogy nyálmirigyének sejtjeiben a kromoszómák óriási méretűek és így rendkívül alkalmasak sejttani vizsgálatokra is.



Pisum sativum – a genetika születését köszönhetjük neki

Egy rövid folyóiratcikkben nincs hely mindazoknak a fontos biológiai felfedezéseknek az ismertetésére, amelyeket a muslicának köszönhetünk. Itt nemcsak genetikáról lehetne szó, hanem biokémiáról, sejttanról, evolúciós biológiáról és sok másról is. Tény, hogy ma világszerte kutatók ezrei dolgoznak kizárólag a muslicával, a muslica volt a második soksejtű élőlény, amelynek teljes DNS-szekvenciáját megfejtették, valamennyi génjének ismerjük a mutációit stb. Egy fontos tényt azonban még feltétlenül el kell mondani róla. Seymour Benzer, aki a molekuláris genetika egyik megalapozója volt, és csak a háromfős korlátozó szabály miatt nem részesülhetett Delbrückkel, Luriával és Hershey-vel együtt az ezért 1969-ban átadott Nobel-díjban, kutatói pályájának második felében egy új tudományág, a viselkedésgenetika megalapozójává vált muslicakísérleteivel. Előállított a normálisnál „okosabb” és „butább” Drosophila-mutánsokat, és kidolgozta az ezek vizsgálatára alkalmas módszereket. Benzerről és erről a munkásságáról szép esszét írt Georg Klein a magyarul „Üstökösök” címmel megjelent kötetében. 

A muslica a genetikai kutatások szinte egyeduralkodó objektuma volt a huszadik század harmincas éveinek végéig. Trónjáról a molekuláris biológia forradalma taszította le. E forradalom legnagyobb alapító atyja, Max Delbrück vezette be a kutatásba az Escherichia coli bélbaktériumot és annak fágjait. Delbrück (aki Luriával és Hershey-vel 1969-ben kapott Nobel-díjat) azonban elsősorban a fágokkal foglalkozott, a coli baktérium vezető helyének igazi megteremtője Joshua Lederberg volt (Nobel-díj, 1958, Beadle-vel és Tatummal), aki lényegében a baktériumgenetika megalapozójának is tekinthető. Ő hozta be a kutatásba azt a K-12 nevű coli törzset, amely – mint utólag kiderült – rendkívül szerencsés választásnak bizonyult, és – mint egykor Mendel borsókísérleteiben – itt is utólag igazolódott, hogy véletlenül milyen szerencsésen választott tulajdonságokat, amelyekkel igazolta a genetikai rekombináció létezését e baktériumnál. Azokat a felfedezéseket, amelyeket e baktériumnak köszönhetünk, szinte lehetetlen felsorolni, lényegében az egész molekuláris biológiát kellene ismertetni. Egyetlen adalék: amikor a múlt század hatvanas éveiben megalakult az EMBO, az európai molekuláris biológusok szervezete, és elkezdtek vitatkozni egy kutatóközpont létesítéséről (ez lett azután a ma Heidelbergben működő EMBL), akkor Francis Crick azt javasolta, hogy az új központ kizárólagos feladata legyen az Escherichia coli biológiájának teljes, minden szintre kiterjedő megismerése, mert ez fog válaszolni a biológia minden kérdésére. Ebben ugyan nem volt igaza, de az ötlet jellemző a korra.

Drosophila melanogaster, amely több mint egy évszázada fontos kísérleti állat

Sydney Brenner pályája némileg hasonlít Seymour Benzeréhez. Brenner rendkívül fontos szerepet játszott a molekuláris biológia klasszikus korszakában, a múlt század hatvanas éveiben a genetikai kód megfejtésében és számos más fontos probléma megoldásában. Ezért már akkor megérdemelte volna a Nobel-díjat, de a már említett háromfős korlát miatt nem fért be Nirenberg, Holley és Khorana mellé a kód megfejtéséért 1968-ban megítélt Nobel-díj jutalmazottjai közé. E Nobel-díj idejében azonban Brenner már más kutatási feladatot tűzött maga elé. 1963-ban (ekkor még csak 36 éves volt) a következőképpen fogalmazta meg ezt a feladatot a Medical Research Councilhoz benyújtott tervezetben: „..a molekuláris biológia elsőrendű új problémája a sejtfejlődés kontrollmechanizmusainak genetikája és biokémiája… A molekuláris genetika eddigi sikereit jórészt a nagy számban kezelhető rendkívül egyszerű szervezetek, baktériumok és bakteriofágok felhasználásának köszönheti… Mi a sejtfejlődést hasonló módon kívánjuk megközelíteni, kiválasztva a legegyszerűbb, differenciált, soksejtű élőlényt, és alkalmazva a mikrobiológiai genetika bevált módszereit. Tehát egy rövid életciklusú, könnyen tenyészthető, soksejtű organizmusra van szükségünk, amely elég kicsi ahhoz, hogy olyan nagyszámú egyedet vizsgálhassunk, mintha csak mikroorganizmus volna. Kevés sejttel kell rendelkeznie, hogy a sejtvonalak kialakulási mintázata követhető legyen, és alkalmasnak kell lennie a genetikai vizsgálatra.” Hosszú búvárkodás után úgy vélte, hogy megtalálta ezt az ideális kísérleti objektumot egy kis féreg, a Caenorhabditis elegans „személyében”. Mik tehát a féregnek azok a kiváló tulajdonságai, amelyeknek köszönhette Brenner kitüntető figyelmét?



Escherichia coli bélbaktérium

Először is, noha teljesen differenciált szövetekkel, szervekkel (idegrendszer, izomzat, nemi szervek stb.) rendelkező soksejtű állat, ehhez képest rendkívül kevés sejtből áll (pontosan: 958), ezért remélte Brenner, hogy génjeinek száma is kevés, a génszámot ekkor 2000–3000-re becsülte (ebben éppen egy nagyságrendet tévedett – ma már tudjuk, hogy a valódi génszám mintegy 18 000, alig kevesebb, mint az emberé). Idegrendszerét mindössze 302 sejt alkotja, és Brenner munkatársaival valamennyi idegsejtet (neuront) és azok teljes kapcsolatrendszerét feltérképezte. A mintegy 1 milliméter hosszúságú állatkák könnyen eltarthatók és szaporíthatók standard laboratóriumi körülmények között, kedvenc táplálékuk éppen az az Escherichia coli baktérium, amely Brenner korábbi munkásságának (és az egész molekuláris biológiai kutatásnak) középpontjában állt. Az állat önmegtermékenyítő hermafrodita, teljes életciklusa három és fél nap, ezalatt egy egyed 300 utódot produkál. Egyszóval az Isten is kísérleti állatnak teremtette.

A genetikai munkát a féreg mozgását befolyásoló izomfehérje-mutánsok tanulmányozásával kezdték, de a közben kialakult géntechnológiai forradalom nyomán hamarosan áttértek egyes gének klónozására, majd a teljes DNS feltérképezésére és szekvenálására. Ezt a programot az 1969-ben Brennerhez csatlakozó Sulston vette kézbe és vitte sikerre 1998-ban. Ezzel – a Drosophilát megelőzve – a Féreg (sajnos a Caenorhabditis elegansnak még mindig nincs elfogadott magyar neve) lett az első soksejtű állat, amelynek teljes öröklési állományát megismertük. Ugyancsak Sulston kezdte el a féreg egyedfejlődésének, differenciációjának tanulmányozását, amelynek eredményeként – elképesztően gondos aprómunkával – a féreg valamennyi (azaz 958) sejtjét, életútját, származását, pedigréjét feltérképezte. Brenner – munkatársaival – Sulstonnal és Horvitz-cal együtt 2002-ben kapta meg a régen megérdemelt Nobel-díjat, amit így kommentált: „Ez voltaképpen a második Nobel-díjam, az elsőt csak elfelejtettem megkapni”. A Caenorhabditis tanulmányozásával ma mintegy 2000 kutató foglalkozik világszerte, jelenleg elsősorban a szerzett tulajdonságok epigenetikus öröklésével kapcsolatban vele megszerzett új eredmények az izgalmasak.



Aplysia californica, a nagyméretű tengeri csiga

Szemben a rendkívül széles kutatási területen tanulmányozott Drosophilával vagy Caenorhabditisszel, következő „hősünk” csak a neurobiológia számára vált fontossá. Eric Kandel pályáját pszichoanalitikus alapállású pszichiáterként kezdte, és csak 32 évesen (1962-ben) jutott arra a meggyőződésre, hogy az őt elsősorban érdeklő kérdés megválaszolására, a memória természetének vizsgálatára ezek a módszerek nem alkalmasak, más, kísérleti vizsgálatokra és az ezeket lehetővé tevő kísérleti állatra van szüksége. Mintegy félévi alapos vizsgálódás után jutott arra a meglepő eredményre, hogy erre a célra a legkiválóbb objektum egy nagyméretű tengeri csiga, az Aplysia californica volna. Ezt a csigát már Plinius leírta, tőle származik a kissé meglepő név: tengeri nyúl. Az állat kb. 30 centiméter hosszú és tömege az egy kilogrammot is elérheti. Alkalmasságát annak köszönheti, hogy alig 20 000 idegsejtje van (szemben az ember kb. 1 billió idegsejtjével), ezek viszont ötvenszer nagyobbak, mint a gerincesek idegsejtjei, kb. 1 mm átmérőjűek, így szabad szemmel is láthatóak és nagyon könnyű elektródot beléjük vezetni. Ekkoriban ezzel a csigával az USA-ban senki sem foglalkozott, így Kandel fél évre Párizsba utazott, hogy választott objektumát megismerje. Pályája következő negyven évét ennek az állatnak szentelte, és ezzel a csigával folytatott kísérleti munkája miatt kapta meg 2000-ben (Greengarddal és Carlssonnal megosztva) az orvosi Nobel-díjat. Ennek lényege: kimutatta, hogy tanulás során a szinapszisokban biokémiai változások történnek, és e változások különböznek a rövidtávú, illetve a hosszú távú memóriában. Kandelről érdemes még megemlíteni, hogy Bécsben született és a nácizmus elől menekült szüleivel Amerikába.  Reneszánsz műveltségű és érdeklődésű emberként 2012-ben megjelent könyvében („The Age of Insight – Az éleslátás kora”) a bécsi expresszionizmus nagy művészeinek (Klimt, Schiele, Kokoschka) munkásságát, a freudi pszichoanalízist és a modern neurobiológiát (benne saját kutatásait) kísérelte meg szintetizálni.



Saccharomyces cerevisia, a már szinte teljesen megismert pékélesztő

A bemutatott modellállatok valamennyien gerinctelenek voltak, érdemes tehát néhány szót szólni egy érdekes gerincesről is, ez a zebrahal, vagy zebradánió (Danio rerio). Ezt a népszerű, közönséges akváriumi halat is elsősorban könnyű és olcsó tenyészthetősége teszi alkalmas kísérleti állattá. A nőstények hetenként (bő táplálkozás esetén még gyakrabban) raknak le több száz petét, és ezekből 3–4 hónap alatt fejlődnek ivarérett egyedek. A zebrahalat először a magyar származású George Streisinger javasolta modellállatnak 1981-ben, de igazi népszerűségét Christiane Nüsslein-Volhardnak köszönheti. Nüsslein-Volhard 1995-ben kapott Nobel-díjat (Lewisszal és Wieschausszal) a muslica egyedfejlődésének vizsgálata terén elért úttörő felfedezéseiért, a díj idején azonban már elhagyta a Drosophilát a zebrahal kedvéért. Ennek az állatnak ugyanis fontos erénye, hogy egyedfejlődése korai szakaszában átlátszó. Amikor tehát Nüsslein-Volhardék tömegesen állítottak elő mutáns halakat, ezek jó részénél a fejlődési eltérések szabad szemmel megfigyelhetőek voltak. Az elmúlt két évtizedben tehát immár a zebrahal lett az egyedfejlődést szabályozó géneket tanulmányozó biológusok kedvenc kísérleti objektuma. Különösen így van ez, mióta ennek az állatnak is ismerjük teljes genomszekvenciáját. Érdemes megemlíteni a zebrahalról, hogy Izsvák Zsuzsa és Ivics Zoltán a zebrahal génállományából izolálták és élesztették fel azt a „csipkerózsika” néven világhírűvé vált „ugráló gént (transzpozont)”, amelyet ma sokoldalú kutatási eszközként használnak világszerte.



Danio rerio, a zebrahal

A zebrahal legújabb izgalmas felhasználását portugál rákkutatók demonstrálták. Kimutatták, hogy emberi vastagbélrák-sejteket injektálva zebrahal-embriókba, azok négy nap alatt tumort képeztek. Ha ezután különböző kemoterápiás koktélokat adtak a halak akváriumvizébe, egyes tumorok visszafejlődtek, mások nem, vagyis kiderült, hogy az adott ráksejttípus ellen használnak vagy sem. Az, hogy a különböző tumorok érzékenysége a különböző kemoterápiás szerekre nagyon különböző lehet, régen tudjuk, és ilyen – terápiát megelőző tesztelést – eddig is végeztek egéren. A zebrahalteszt azonban sokkal gyorsabb és olcsóbb, mint az egérteszt.



Arabidopsis thaliana, a lúdfű, melynek teljes génkészletét ismerjük

Természetesen – mint már utaltam rá – a biológia történetében fontos szerepet játszott modellszervezetek itt ismertetett listája korántsem teljes. Nem esett szó az orvosi és gyógyszerkutatásokban alapvető jelentőségű egérről és patkányról, a szinte a coli-baktériummal vetekedő teljességben megismert és kikutatott élesztőről (Saccharomyces cerevisiae), a Beadle-nek és Tatumnak Nobel-díjat hozó penészgombáról, a Neurospora crassáról, vagy a Rédey György által a növénybiológiába bevezetett, elsőként megismert teljes genomú lúdfűről (Arabidopsis thaliana). És nyilvánvalóan nem írhattam azokról a modellszervezetekről, amelyeket a jövő zseniális, újra törő kutatói fognak megtalálni új problémák megoldására.


Természet Világa, 148. évfolyam, 12. szám, 2017. december
http//www.termeszetvilaga.hu/