GENETIKA


VENETIANER PÁL

Az emberi mitokondriumok genetikája 

Köztudott, hogy a soksejtû élõlények, így az ember valamennyi sejtjének citoplazmájában nagy számban elõforduló jellegzetes sejtszervecskék, a mitokondriumok milyen fontos szerepet játszanak a sejtlégzésben és az energiatermelésben. Azt azonban csak néhány évtizede tudjuk – ellentétben a korábbi, számos régi tankönyvben még megtalálható tétellel, miszerint az öröklési anyag, a DNS kizárólag a sejtmagban, a kromoszómákban fordul elõ –, hogy a mitokondriumok szintén tartalmaznak DNS-t. Szerkezete és funkciója megegyezik a sejtmag DNS-ével, tehát öröklési anyag. A ma általánosan elfogadott (bár természetesen szigorúan nem bizonyított, nem is bizonyítható) feltételezés szerint a mitokondriumok õsei eredetileg a többsejtû élõlény sejtjeit megszálló szimbionta (együttélõ) prokariota (baktériumszerû) szervezetek voltak, amelyek az evolúció során önálló funkcióik nagy részét elveszítették, így eredeti DNS-tartalmuk nagy részét is (l. Gyurján István: Az élet szervezõdése címû írását folyóiratunk 1998. 5. számában). A ma élõ soksejtûek mitokondriális DNS-ének mérete és az általa hordozott gének száma erõsen különbözõ; a legnagyobb a növények, a legkisebb az emlõsök (és így az ember) mitokondriális DNS-e. Ez a DNS mindössze 16569 nukleotidpár hosszúságú körkörös molekula, amely csak 37 gént tartalmaz, rendkívül kompakt elrendezésben, egymáshoz szinte hézagmentesen illeszkedve. A 37 gén közül 13 kódol fehérjéket. Ezek valamennyien a mitokondriumban helyet foglaló, az oxidációban és az energiatermelésben szerepet játszó nagy fehérjekomplexek alkotórészei, de a komplexeket alkotó fehérjék többségét a magi DNS kódolja és ezek a citoplazmában szintetizálódnak. A mitokondriálisan kódolt 13 peptidlánc nem egészen 20 százalékát adja e komplexeknek. A többi gén (22 szállító-RNS-t kódoló és két riboszomális-RNS-t kódoló gén) a mitokondrium saját fehérjeszintetizáló apparátusának létrehozásához járul hozzá. Az apparátus nagyobb része azonban (pl. az összes riboszomális fehérjék, aminosavaktiváló enzimek, iniciációs és elongációs faktorok stb.) nukleárisan kódolt, a citoplazmában szintetizálódik, tehát kívülrõl kerül a mitokondriumba.

1. ábra. Az emberi mitokondriális DNS sematikus térképe.
A belsô kör ezer nukleotidokban megadja a szekvencia
hagyományos számozását. A következô két körben a kis
téglalapok a szállító RNS-géneket jelentik az adott RNS
által szállított aminosavak egybetûs rövidítéseivel
(A: alanin, C: cisztein, D: aszparaginsav, E: glutaminsav,
F: fenilalanin, G: glicin, H: hisztidin, I: izoleucin, K: lizin,
L: leucin, M: metionin, N: aszparagin, P: prolin,
Q: glutamin, R: arginin, S: szerin, T: treonin, V: valin,
W: triptofán, Y tirozin). A vastag fekete vonalak a
polipeptideket és az rRNS-eket kódoló gének. A rövidítések
azt jelzik, hogy az adott peptid melyik mitokondriális
fehérjekomplex része. CO: citokrom-c oxidáz,
ND: NADH-dehidrogenáz, Cytb: citokrom-b,
ATP-áz: ATP-szintetáz. OH és OL a két DNS-lánc
replikációs kezdôpontját, HSP és LSP a két láncon történô
RNS-szintézis (átírás, transzkripció) kezdôpontjait jelentik.
A kör tetején, a T és F gének között, a számozás
kezdôpontját magában foglaló rész a nem kódoló,
variábilis régió.

  Ha a mitokondriumban lévõ DNS ugyanúgy örökletes információt hordoz, mint a kromoszómák DNS-e, úgy gondolhatnánk, hogy rá is a genetika általános törvényei vonatkoznak. Ez azonban csak részben igaz. A mitokondriumok öröklõdésmenetében ugyanis a magi örökléstõl eltérõ törvényszerûségek érvényesülnek.

  Lássuk tehát, melyek ezek a legfontosabb különbségek:

  1. A petesejtben több százezer mitokondrium van, a spermiumban azonban csak alig néhány száz. A megtermékenyítés után valamilyen – részleteiben még ismeretlen – mechanizmus ezeket is elpusztítja, így a zigótában egyedül az anyától, a petesejtbõl származó mitokondriumok maradnak meg. A mitokondriális géneket tehát kizárólag az anyától kapja az utód, az ezek által meghatározott tulajdonságok csak anyai úton öröklõdnek.

  2. A mitokondriális DNS-ben a rekombináció ismeretlen fogalom. A két különbözõ DNS-molekulában megjelenõ mutáció nem kerülhet átkeresztezõdés révén egyetlen molekulába.

  3. A mitokondriális DNS mutációs rátája (gyakorisága) körülbelül egy nagyságrenddel nagyobb, mint a kromoszomális DNS-é. Ennek a jelenségnek a feltevések szerint több oka lehet, a DNS-t károsító oxidációs termékek, szabad gyökök közvetlen közelsége, a védõfehérjék (hisztonok) hiánya, a helyreállító (repair) mechanizmusok hiánya, illetve tökéletlensége.

  4. A kromoszomális DNS (genom) az ivarsejtekben egy, a testi sejtekben két példányban található. Ezzel szemben egy átlagos sejtben több száz mitokondrium van, mindegyikben 5-10 DNS-molekulával, tehát a sejtenkénti példányszám ezres nagyságrendû. Ennek az a következménye, hogy ha a mitokondriális DNS replikációja, megkettõzõdése során mutáció lép fel, ez nem jár semmiféle közvetlen következménnyel, hiszen a sejtben lévõ több ezer “normális” DNS-molekula mellett csak egy lesz mutáns. Hosszabb távon azonban már van esélye a mutáns felhalmozódásának, hiszen a sejtosztódások során a véletlen eloszlás jelentõsen megváltoztathatja a mutáns és normál DNS-molekulák arányát. A mitokondriális genetikában ezért beszélünk heteroplazmiáról, azaz arról, hogy egy sejtben vagy organizmusban egymás mellett – különbözõ arányokban – elõfordulhatnak vad-típusú és mutáns, sõt különbözõ mutáns DNS-ek. Ha a mutáció a petesejt érésének (oogenezis) korai szakaszán következett be, akkor a véletlen szegregáció, esetleg valamilyen szelekciós mechanizmussal is megerõsítve, elvezethet ahhoz, hogy a mutáns jelenléte kizárólagossá válik egy sejtben. Ha ez megtörténik, akkor természetesen ez jellemezni fogja e sejt valamennyi utódját is. Ilyenkor homoplazmiáról beszélünk.

  5. Amennyiben egy mutációnak a fenotípusban is megnyilvánuló káros hatása van (ez többnyire az oxidáció, illetve az energiatermelés valamilyen zavarát jelenti, hiszen a mitokondriális DNS valamennyi génje közvetlenül vagy közvetve az oxidációban játszik szerepet), e hatás érvényesülése nyilvánvalóan attól függ, hogy a mutáció az adott sejt, vagy szerv mitokondriális DNS-molekuláinak mekkora hányadában van jelen, azaz milyen fokú a heteroplazmia. Ez az arány az elõbbiek értelmében sejtenként, illetve szervenként más lehet ugyanazon egyedben is. Az is változhat, szervtõl függõen, hogy az adott mértékû heteroplazmia mennyiben okoz észlelhetõ fenotipikus hatást. Nyilvánvaló, hogy a károsodásra legérzékenyebbek a legintenzívebben energiafogyasztó sejtek (pl. látóideg, szívizom stb.). Ezért mutációnként, illetve szervenként és szövetenként más és más “küszöb”-értéke lehet annak, hogy a mutáció káros hatása megnyilvánul-e vagy sem.

  6. A kromoszomális DNS-molekulák lineárisak, a mitokondriális DNS-ek viszont körkörösek (cirkulárisak).

2. ábra. A mitokondrium leegyszerûsített
térbeli szerkezete

  A mitokondriális genetika itt felsorolt különleges sajátosságai a kutatás számára számos érdekes elméleti, evolúcióbiológiai problémát vetnek fel. A következõkben azonban csak annak tárgyalására fogunk szorítkozni, hogy az emberre vonatkozóan milyen, gyakorlatilag is fontos ismereteket nyerhetünk a mitokondriális DNS vizsgálata révén.

  Az elsõ természetesen az orvosi jelentõség. Tíz éve, 1988-ban mutatták ki elsõ ízben, hogy egy jól ismert emberi kórkép, a többnyire fiatalkori megvakulással járó úgynevezett Leber-féle optikai neuropátia oka minden bizonnyal mitokondriális DNS-mutáció. Azóta igen nagyszámú patológiás jelentõségû mitokondriális DNS-mutációt azonosítottak, illetve valószínûsítettek. Az óvatos fogalmazás azért indokolt, mert aránylag sok esetet találunk az irodalomban, ahol a betegség és valamely mitokondriális mutáció együttes elõfordulását írják le, ez azonban még nem bizonyítja az oki összefüggést. A mitokondriális genetika sajátságai miatt igen ritka kivételnek tekinthetõ a mutáció és valamely betegség közötti egyértelmû összefüggés, tehát az, hogy az adott kórkép mögött mindig ott van ugyanaz a mutáció, illetve, hogy az adott mutáció mindig ugyanazon betegség megjelenésével jár. Emiatt a mitokondriális DNS-mutációk észlelésének, kimutatásának az orvosi laboratóriumi gyakorlatban korlátozottabb a jelentõsége, mint a kromoszomális DNS-vizsgálatoknak. Mivel a legtöbb betegségokozó mutáció heteroplazmiás, s így a különbözõ szövetekben más-más eredményt mutathatnak a tesztek, ezek értelmezése esetenként igen nehéz. Egyes betegségek kimutatásában lehet diagnosztikus jelentõsége a DNS-tesztnek, ilyen például a már említett Leber-féle optikai neuropátiát okozó mutáció, amely (illetve amelyek, mert több ilyet ismerünk) többnyire homoplazmiás, tehát bármely szövetmintából egyértelmûen kimutatható és jelenléte genetikai tanácsadásra felhasználható.

  A ma egyértelmûen mitokondriális DNS-eredetûnek tartott betegségek szerencsére elég ritkák és a laikus közvélemény által kevéssé ismertek. Ilyen például a Leber-féle optikai neuropátia mellett a Leigh-szindróma, a Kearns–Sayre-szindróma, a rojtos-vörös-rostos mioklónusos epilepszia, a Pearson-szindróma stb. Több, a felsoroltaknál jóval gyakoribb és fontosabb betegség esetében bizonyos mitokondriális mutációknak az egészséges kontrollokhoz képest magasabb arányú elõfordulását mutatták ki, de ezekben az esetekben az ok-okozati összefüggés vitatott. Ilyen a cukorbaj (diabetes), a siketség egyes formái, egyes kardiomiopátiák (szívizomelfajulás), az Alzheimer-kór vagy a Parkinson-kór.

  Végül feltétlenül érdemes megemlíteni, hogy a kutatók egy része a mitokondriális DNS-mutációk felhalmozódására vezeti vissza az emberiség legfontosabb, mindenkit érintõ “betegségét”: az öregedést. Ez az elmélet pillanatnyilag sem nem igazolható, sem nem cáfolható. Kétségtelen tény, hogy a mitokondriális DNS-mutációk száma az öregedéssel nõ. Az azonban nem bizonyítható, hogy ez a jelenség okozója-e vagy csak következménye az öregedésnek.

  A mitokondriális DNS-re visszavezethetõ betegségek természetesen ugyanúgy nem gyógyíthatók jelenleg, ahogy más örökletes betegségek sem. A géntechnológia nagy ígérete, a génterápia azonban elvileg lehetõségeket kínál itt is az orvostudomány számára. A mitokondriális génterápia bizonyos szempontból könnyebb is lehet a kromoszomális génekénél. Elképzelhetõ például az, hogy szintetikus nukleotidanalógokkal specifikusan gátolható egy mutáns mitokondriális DNS megkettõzõdése, replikációja, úgy, hogy a normális “vad-típusú” molekula replikációja nincs gátolva. Ilyen módon gyakorlatilag kivédhetõ volna a betegségokozó mutáció hatása. Nemrégiben hozták létre az elsõ állati modellrendszert, amellyel ezek a lehetõségek tanulmányozhatók és az elsõ bíztató kísérletekrõl már beszámoltak. A gyakorlati megvalósítás természetesen még igen messze van.

  Az emberi mitokondriális DNS vizsgálatának azonban nem csak az orvostudomány szempontjából van jelentõsége. Mint korábban említettük, a 37 gén jóformán hézagmentesen fedi le a mitokondriális DNS nagy részét. Van azonban egy mintegy ezer nukleotid hosszúságú szakasz, amelyen nincsenek gének, ezt szokás olykor “variábilis régiónak” nevezni. Az ezen a szakaszon bekövetkezõ mutációknak ugyanis általában nincs fenotipikus következménye, tehát evolúciós értelemben semlegesek. Mivel pedig a mutációs ráta magasabb a magi DNS-énél, ezért ennek a régiónak a szerkezete valóban igen változékony. Két – egymással anyai ágon nem rokon – egyed között biztosan számos ponton különbözik e szakasz nukleotidsorrendje. A mitokondriális DNS egészére vonatkozóan elmondható, hogy két – nem rokon – egyed között legalább 70 helyen van különbség, az emberiség egymástól legtávolabb álló egyedei között pedig akár 500 nukleotidban. Ezek többsége a variábilis régióra koncentrálódik. Ennek a régiónak a nukleotidsorrendjét a jelenlegi technikákkal aránylag könnyen és teljes egészében meg lehet határozni. Az eddig elmondottakból az következik, hogy a történeti antropológia, az emberi népességek leszármazásának, rokonságának, történeti keveredésének kutatásában, de az igazságügyi orvostani vizsgálatokban is felbecsülhetetlen értékû eszköz a mitokondriális DNS elemzése.

  Különösen növeli a mitokondriális DNS-vizsgálatok ilyen felhasználhatóságát az a tény, hogy példányszáma sejtenként több ezer, ezért például fosszilis maradványok vizsgálata esetén lényegesen nagyobb esélyt kínál a használható szekvenciaelemzésre, mint a magi DNS. A közelmúlt legszenzációsabb ilyen típusú eredménye a Neander-völgyi õsember mitokondriális DNS-ének az elemzése. Ebben az esetben magi DNS-t nem sikerült (nem sikerülhetett) használható formában felszaporítani, a mitokondriális DNS vizsgálata azonban eredményes volt és fontos tanulsággal szolgált. A kutatók az õsi csontmaradványból a mitokondriális DNS variábilis régiójának mintegy 300 nukleotid hosszúságú szakaszának szekvenciáját határozták meg és hasonlították össze közel ezer, a legkülönbözõbb népcsoportokhoz tartozó mai ember mitokondriális DNS-ével. Míg a mai embereknél ezen a szakaszon átlagosan nyolc nukleotidnyi különbséget találtak két egyed között, a Neander-völgyi ember szekvenciája 20 helyen különbözött a hozzá legközelebb álló mai emberétõl, az átlagos különbség 25 nukleotid volt. Ennek alapján ki lehetett mondani, hogy a Neander-völgyi õsember minden bizonnyal nem tekinthetõ a mai ember elõdjének, a két “faj” szétválása körülbelül 600 000 évvel ezelõtt következett be (l. Gyenis Gyula: DNS-vizsgálat õsemberi csontokból címû írását folyóiratunk 1997. 12. számában).

  Egy másik érdekes példa a közelmúltból: II. Miklós orosz cár maradványainak azonosítása. A cárnak tulajdonított csontokból izolált mitokondriális DNS-ben a kutatók egy jellegzetes heteroplazmiás mutációt találtak. Ez volt az azonosítás végsõ bizonyítéka, mert a cár testvérének, György nagyhercegnek mitokondriális DNS-ében ugyanezt a heteroplazmiás mutációt találták meg.

  Mitokondriális DNS-vizsgálat volt az alapja annak az 1987-es szenzációs bejelentésnek is, amely szerint a földet benépesítõ mai emberek feltehetõen egyetlen, Kelet-Afrikában kétszázezer évvel ezelõtt élt nõ leszármazottai (“Éva-hipotézis”). Noha az eredeti közlemény következtetéseinek helyességét sokan támadták és vitatták (joggal), azóta számos egyéb vizsgálat megerõsíteni látszik az eredményeket és ma a tudományos közvélemény nagy része elfogadja ennek a feltevésnek a lényegét, vagyis azt, hogy a mai emberiség õsei Afrikából kiindulva népesítették be a földet
1-200 000 évvel ezelõtt, kiszorítva, vagy kiirtva a korábban Európában és Ázsiában élt egyéb õsembereket, így a Neander-völgyi embert is. (A nálunk “Távol Afrikától” címmel játszott nagy sikerû Robert Redford–Meryl Streep-film eredeti címére utalva, ezt a teóriát “Out of Africa” elméletnek nevezik.)

  A mitokondriális DNS-vizsgálatok legfrissebb – még megerõsítésre szoruló – érdekes következtetése Amerikából származik. Az antropológusok számára az elmúlt két évben sok fejtörést okozott az észak-amerikai kontinensen (Washington államban) talált, 9300 éves, úgynevezett “kennewicki ember”, akinek antropológiai karaktere egyértelmûen europid jellegû, noha, mint ismeretes, az amerikai földrész õslakói valamennyien a mongoloid rasszhoz tartoznak, akik az általánosan elfogadott feltételezés szerint Kelet-Szibériából kiindulva hódították meg az Újvilágot. Most egyes amerikai indiánok mitokondriális DNS-ében kimutatták egy olyan szekvencia-elem (“marker”) jelenlétét, amely egyetlen mongoloid népnél sincs meg, a földön jelenleg csak Európában és a Közel-Keleten fordul elõ. A következtetés: az Újvilágot meghódító népek közé keveredve (esetleg fogolyként) az europid rasszhoz tartozó, a Földközi-tenger mellékérõl származó emberek is átkerültek Amerikába, közülük származott a “kennewicki ember” és az õ genetikai nyomaikat találták meg egyes mai indiánoknál.

  A mitokondriális DNS vizsgálata a következõ években feltehetõen új lendületet fog kapni a DNS-chip technológia elterjedésével (l. Falus András–Váradi András–Raskó István: DNS-chipek címû írását folyóiratunk 1997. 11. számában). Laboratóriumi szinten már megoldották, hogy az emberi mitokondriális DNS teljes szekvenciája, illetve bármely egyed mitokondriális DNS-szekvenciájának eltérése, mutációja a standard, vad-típushoz képest egyetlen DNS-chipen meghatározható legyen. Ha ez a technika kereskedelmi forgalomban is elérhetõ áron hozzáférhetõvé válik, az forradalmasíthatja a történeti antropológiai kutatásokat.


Természet Világa, 129. évf. 11. sz. 1998. november, 486–488. o.
http://www.kfki.hu/chemonet/TermVil/
http://www.ch.bme.hu/chemonet/TermVil/


Vissza a tartalomjegyzékhez