| Aktuális infók : Eltűnt a hulladék: új korszak kezdődött a DNS megértésében |
Eltűnt a hulladék: új korszak kezdődött a DNS megértésében
origo 2006.10.17. 19:36
Ritkán születnek olyan átütő erejű kutatási eredmények, amelyek új alapokra helyeznek egy egész tudományterületet. A biológiában éppen egy ilyen forradalom kezdődött: százévnyi vakság után először kezdjük egészében, a géneken túl is látni a genetikai állományban kódolt információkat. Egy új világ tárul fel előttünk, és ennek jelentősége, gyakorlati következményei egyelőre felbecsülhetetlenek. Különösen izgalmas számunkra, hogy a posztgenetika (PostGenetics) névvel illetett vadonatúj tudomány éppen Budapesten született meg.
| Új tudomány született |
1/6. oldal >> | 
|
"Magyarországon egy új tudomány született" - mondta Dr. Pellionisz András Kaliforniában élő magyar biofizikus az [origo]-nak az Immungenomikai és Immunomikai Világkongresszuson 2006. október 12-én. "Ez az új tudomány a posztgenetika, amely a genetika posztmodern korszakát jelenti. Bevezetésének ötlete tavalyi látogatásomkor merült fel, és Falus András professzorral azóta dolgoztunk a mai bejelentés előkészítésén."
A nagy sikerű kongresszuson 46 ország több mint félezer kutatója vesz részt, köztük több hazai, illetve külföldön dolgozó magyar szakember is. A kongresszus szatellit-rendezvényeként elsőként tartottak nemzetközi konferenciát az úgynevezett "hulladék" DNS-ről, amelyen bejelentették a Nemzetközi Posztgenetikai Társaság (International PostGenetics Society) megalakulását. Az új távlatokat nyitó kutatások egyik központja Budapest, ahol Dr. Falus András, a Semmelweis Egyetem Genetikai-, Sejt- és Immunbiológiai Intézetének igazgatója lesz a társaság szakfolyóiratának európai szerkesztője.
Kulcspontok
Modern genetikáról 1905 óta, azaz körülbelül egy évszázada beszélhetünk. William Bateson ebben az évben írta azt a levelet Adam Sedgwicknek, amelyben a genetika szót javasolja a Mendel korábbi kísérleteit újrafelfedező és újraértelmező új tudománynak. Megkezdődött a gének korszerű vizsgálata.
1953-ban megszületett a molekuláris genetika is: James Watson és Francis Crick 1953. április 25-én publikálta elképzeléseit az élet egyik legfontosabb molekulája, a géneket hordozó dezoxi-ribonukleinsav, azaz a DNS szerkezetéről. Számos más kutató - de főként Maurice Wilkins és Rosalind Franklin - fáradságos munkával összegyűjtött eredményeit felhasználva fél évszázada jutottak el a híres kettős spirál gondolatáig. Ezzel új korszak nyílt a biológiában, az orvostudományban, az evolúciós vizsgálatokban, a mezőgazdaságban, de például a bűnüldözésben is (DNS-ujjlenyomatok). Megkezdődött a gének molekuláris biológiai vizsgálata.
Fél évszázad múlva újabb hatalmas áttörés következett. Néhány más faj után 2001-ben az ember esetében is elvégezték a genetikai állomány első teljes felmérését, azaz a genomot alkotó molekulák (úgynevezett nukleotidok) sorrendjének (szekvenciájának) leírását. "Természetesen" a mintegy 3,2 milliárd, összesen négyféle nukleotidból álló adathalmazban a géneket keresték először, és az eredmények máris hatalmas meglepetést hoztak. Kiderült, hogy a várt 140 ezernél jóval kevesebb, legfeljebb 24-25 ezer génünk van (ráadásul ez nem sokkal több a fonálféreg vagy az ecetmuslica génszámánál). Még drámaibb volt az a felismerés, hogy a gének százalékos mennyisége az egész adathalmaznak mindössze 1,3%-a.
A genomika születése: még mindig csak a gének
Ezzel együtt azonban óriási lépés volt a genom lineáris "leolvasása", mert erre alapozva születhetett meg a legmodernebb informatikai módszerekkel támogatott genomika, amely új alapokra helyezte az egész biológiát. A genomikai módszerekkel ugyanis egyidőben tudják vizsgálni számos (vagy akár az összes) gén működését egy adott sejtben, meg tudják nézni a gének összes változatát, illetve összes kifejeződési (expressziós) mintázatát. Ebből pedig összehasonlító elemzéseket végezhetnek például egy egészséges és egy beteg sejt között (kicsit hasonló a helyzet a Füles újság Mi a különbség a két kép között? c. feladványaihoz), és "kihalászhatják" azokat a géneket, amelyek terápiás célpontokat jelenthetnek.
Folytatódott tehát a százéves tendencia: bár a teljes genom-információ a kezünkben volt, még mindig csak a gének, azaz a fehérjéket kódoló szakaszok álltak a legtöbb kutatás középpontjában. Ez nem meglepő, hiszen ezek a genom "leglátványosabb", legjobban kifejeződő elemei. A genom legnagyobb része azonban még mindig szűz területként feküdt a kutatók előtt, s mivel szinte semmit sem tudtak róla, megmaradtak a korábbról származó "hulladék" DNS (angolul junk DNA) kifejezésnél.
Az első eredmények a "hulladék" DNS-ről
Korábbi eredmények alapján Malcolm J. Simons új-zélandi születésű ausztrál immunológus-kutatóorvos - akit egyébként a Nemzetközi Posztgenetikai Társaság tiszteletbeli elnökévé választottak - vetette fel elsőként 1987-ben, hogy a géneken kívüli szekvencia sem "hulladék", sőt igen fontos szerepe van. Ez egyébként abból is nyilvánvaló, hogy a sejtek nem másolgatnák nagy anyag- és energiaráfordítással már évmilliárdok óta (még a baktériumokban is van belőle).
Az első elképzelések egyfajta mechanikai szerepről (a gének közötti távolságok biztosítása), illetve "evolúciós tartalék szekvenciákról" szóltak. Az utóbbi években olyan részleteket találtak benne, amelyek egymástól távol álló fajok között is igen hasonlóak (konzervatív szekvenciák), amiből arra következtettek, hogy az embrionális fejlődés szabályozásában van fontos szerepe. Megkezdődött a géneken kívüli tartományok elmélyültebb vizsgálata.
A nagy áttörés
Az utóbbi években eddig teljesen ismeretlen utakat találtak a génműködés szabályozására, amelyeket rövid RNS-molekulák végeznek (lásd például RNS-interferencia, 2006-os orvosi-élettani Nobel-díj). Nyilvánvalóvá vált, hogy ezek az RNS-ek a "hulladék" DNS-ben vannak kódolva. Senki nem tudta azonban, hogy milyen súlya van ennek a szabályozásnak a genom kifejeződésében.
A nagy áttörést - mint oly sok esetben - a matematika hozta meg. Pellionisz és mások fraktálgeometriai módszerekkel elemezték a genom szekvenciáját, és túlzás nélkül állítható, hogy fantasztikus dolgokra derült fény. Az eddig csak lineárisan, egy könyv olvasásához hasonlóan vizsgált adathalmazban olyan geometriai mintázatokat fedeztek fel, amelyek a DNS-ben kódolt információ egy eddig ismeretlen, új rétegét tárják elénk. A "hulladék" DNS-ben a lineáris elemzések során rejtve maradt ismétlődő szekvenciák bukkantak elő, és eddig mintegy 24-25 millió olyan szakaszt azonosítottak, amelyek alapvető szerepet játszhatnak a gének kifejeződésének szabályozásában - mondja Falus András. Egy teljesen új világ tárult fel előttünk. Ilyen érzése lehetett a csillagászoknak, amikor kiderült, hogy a Tejútrendszer nem egyenlő a Világegyetemmel.
Mára egyértelművé vált, amit józan paraszti ésszel is sejteni lehetett: a genom nem egyenlő a génekkel. Az elmúlt száz évben a genom vizsgálata egy szűk, látványos tartományra, a génekre koncentrálódott. Most, hogy felismertük a kirakósjáték nagyobb részének óriási jelentőségét, ideje, hogy összerakjuk végre a képet. Ebben pedig nekünk magyaroknak juthat az egyik főszerep: mint a bevezetőben említettük, 2006. október 12-én Budapesten, a világ első "hulladék" DNS konferenciáján jelentették be, hogy új tudomány született: a posztgenetika, a géneken túli tartományok vizsgálata. A következőkben bemutatjuk Önnek az eddigi eredményeket, megszólaltatunk kutatókat, és arról is olvashat, hogy a "hulladék" DNS kutatásának máris komoly gyakorlati jelentősége van. |
| Titkosírás a "hulladék" DNS-ben |
<< 2/6. oldal >> |
|
Pellionisz András jött rá, hogyan olvashatjuk el genomunk eddig olvashatatlannak hitt szövegét. 1966-ban villamosmérnökként került be Szentágothai János anatómus professzornak - a magyar agykutatás egyik legnagyobb alakjának - budapesti kutatócsoportjába. Szentágothai felismerte: az ideghálózatok működésének megfejtéséhez matematikus-informatikus szakemberre van szüksége, és Pellionisz elévülhetetlen érdemeket szerzett a probléma neurális hálózatokkal való megoldásában. A biológia "geometrizálására" specializálódott szakember érdeklődése az utóbbi időszakban fordult a genomban tárolt információk elemzése felé, amelynek eredményeképpen egy új, eddig láthatatlan jelentésréteg tárult fel előttünk a DNS-ben.
Hogyan olvassuk a genomot?
Meglepő oka van, miért nem gondoltuk sokáig, hogy teljes örökítőanyagunk 98,7 százaléka létfontosságú információkat rejthet. Amikor a kutatók megpróbálták "elolvasni" e géneken kívüli szöveget, nem találtak benne semmilyen értelmet. Ma már tudjuk, hagyományos módszerrel nem is találhattak volna értelmes információt. Mostanra kiderült: a sokáig "hulladék genomnak" vélt tartományt egészen máshogy kell olvasni, mint a fehérjekódoló géneket tartalmazó szakaszokat. Más nyelven van írva, egészen más elv alapján tárolja az információt, mint a fehérjerecepteket kódoló gének.
Teljes genomunk egy több mint hárommilliárd "betűből" álló szöveg, amelyet a kromoszómáinkba csomagolt DNS-molekulákban tárolunk. A szöveg tehát kémiailag van beleírva DNS-ünkbe, a "betűk" valójában szerves bázisok. Az információt négyféle szerves bázis sorrendje rögzíti, más szóval a genom "szövege" négy "betűből" épül föl. Ez a négy betű a szerves bázisok neveinek kezdőbetűje alapján: A, C, G és T.
A fehérjekódoló gének olyan szakaszok a genomban, amelyek "betűsorrendje" (szekvenciája) egy receptet ír le valamilyen fehérje előállításához. A sejt a fehérjéket kisebb molekuláris egységekből, aminosavakból építi föl. Ismerve a recept leírásához használt kódot (a genetikai kódot) a génből kiolvashatjuk, milyen szerkezetű fehérje elkészítéséhez ad útmutatást.
Ha elolvassuk egy gén fehérjereceptjét, lineárisan, az elejétől a végéig folyamatosan kell olvasnunk, pont úgy, mint ahogy az Olvasó például ezen a szövegen is balról jobbra halad a szemével. Hiszen a sejtek fehérjegyártó komplexei, a riboszómák is lineárisan olvassák el a génekről készült RNS-átiratokat, az RNS-átiratok pedig szintén lineárisan készülnek a gének DNS-szekvenciáiról.
E lineáris nyelv azonban, úgy tűnik, csak a fehérjekódoló gének "szövegére" jellemző, s ezek a szekvenciák olyan ritkán helyezkednek el a genomban, mint tű a szénakazalban. Nem csoda, hogy ezeket sikerült először megértenünk, hiszen észjárásunknak ez a kódolás a legtermészetesebb, mi is e szisztéma szerint írunk-olvasunk.
A titok nyitja: a fraktálok
Márpedig nem csak a gének, hanem a "hulladék" DNS is rejt fontos információkat, csak ezt más módszerrel lehet kiolvasni. Ahogy Pellionisz mondja: a gének mellett meghatározó a helytelenül hulladéknak nevezett, géneket nem kódoló DNS, sőt szerinte az itt lévő információk jelentik az igazi szabályozó "tervrajzot" azoknak az alapanyagoknak (fehérjéknek) az összerakásához, amelyeket a gének kódolnak.
Pellionisz kutatásai során kiderült: a genomnak egy határozott belső matematikája, geometriája van - méghozzá a természetben oly gyakori fraktálgeometria. A fraktálok különleges matematikai alakzatok, amelyeknek jellemző tulajdonsága az "önhasonlóság". Egy apróbb részletüket fölnagyítva az egész alakzathoz hasonló struktúrát kapunk. Ezért az elméleti módszerekkel létrehozott fraktálok belső komplexitása végtelen, de a mindennapi életben is számos ilyen alakzat vesz minket körül. Fraktálszerű például a villámok mintázata, a fák lombkoronája, a levelek erezete, a karfiol és a brokkoli felülete, a testünkben szerteágazó érhálózat, sőt még a baktériumtelepek növekedése is megérthető a fraktálgeometria módszereivel. A természet azért használja a fraktál-alakzatokat, mert ez egy kitűnő módszer az információ tömörítésére - magyarázta a magyar biofizikus. Ebből a szempontból nem csoda, hogy a genom, amely az öröklődő információ tárolásáért felelős, szintén fraktálszerűen rendeződik.
Pellionisz és munkatársai megfejtették a titkosírást. Fraktál-algoritmusok segítségével eddig ismeretlen fraktál-elemeket és fraktál-halmazokat azonosítottak a DNS-ben. Olyan önhasonló, ismétlődő részeket találtak a genomban, "mintázatokat a mintázatokban", amelyek a fraktálkódolást használva rejtik magukban a génszabályozáshoz fontos információt. Ha valaki lineárisan olvassa a genomot, nem veszi észre ezeket a szekvenciákat.
Génszekvenciák tükörképei, piknonok
A genom új módszerrel való olvasása során olyan "szövegrészletekre" bukkanhatunk, amelyek rendkívül fontosak lehetnek a fehérjekódoló gének szabályozásában. Mint szó volt róla, örökítő állományunk egy több mint hárommilliárd betűből álló "szöveg", amelyet az A, C, G és T "betűk" egymásutánja alkot. Ha e kémiai nyelven írt "szöveg" egy vele ellentétes (komplementer) szövegrészlettel találkozik, képesek egymással párhuzamosan összekapcsolódni. Ezt nevezik komplementer bázispárosodásnak. Az A-betűnek a T, a C betűnek pedig a G a párja. (Például az "ATTCGT" szövegrészlet komplementere a "TAAGCA" szövegrészlet, ezért az ilyen szerves bázisokat tartalmazó DNS-szálak kötődni tudnának egymáshoz.)
Az emberi DNS-ben a legalább 40-szer előforduló, legalább 16 nukleotid hosszúságú szakaszokat piknonoknak nevezte el az IBM Watson Centerben dolgozó Isodore Rigoutsos. Érdekes módon a "hulladék" DNS területére eső képviselőik egy része olyan szekvenciákat rejt, amelyek éppen komplementerei bizonyos fehérjekódoló génekben lévő szekvenciáknak. Ez teszi lehetővé, hogy a róluk készült RNS-átiratok is pontos tükörképei legyenek a génekről készült RNS-átiratoknak. Ennek következtében e speciális rövid RNS-darabok képesek elcsendesíteni bizonyos gének működését. Emiatt a "hulladék" DNS-ről származó parányi RNS-eknek kulcsfontosságú szerepe van a génműködés szabályozásában (lásd cikkünk következő részében).
Nem a gének teszik az embert
Bár a "hulladék" DNS olvasása elsőre kissé komplikáltnak tűnik, a titkosírást feltörő biofizikus szerint a fraktálok matematikája szerencsére nem túl bonyolult. Pellionisz úgy véli, hogy a posztgenetika Magyarországra van kitalálva, mert mindenekelőtt informatikai hátteret igényel, ami nagyságrendekkel gazdaságosabb, mint a kísérletes biológiai munka. Meg kell fontolni, nem lenne-e érdemes ide koncentrálni a kutatási erőforrásainkat, hiszen jelen pillanatban előbbre tartunk, mint a nyugati országok - mondta a kutató, arra figyelmeztetve, hogy ez a lehetőség nem lesz sokáig nyitva előttünk. Eredmények egyébként máris vannak: például Szalai Csaba és kollegái (MTA Immungenomikai Kutatócsoport) Pellionisz segítségével fraktálgeometriai jellegzetességeket találtak az asztmára hajlamosító genetikai eltéréseket tartalmazó egyik kromoszómarégióban.
A géneken kívüli DNS-nek fontos evolúciós szerepe is lehet. Igen érdekes új információ például, hogy míg a csimpánz és az ember génjei között csak 0,1%-nyi a különbség, addig a géneket nem tartalmazó szakaszokban ez már negyvenszeres, 4%. Nyilvánvaló, hogy e többletként jelenlévő 4%-ban vannak azok a fontos információk, amelyek emberré tesznek bennünket, hiszen a gének által kódolt "alapanyagok" gyakorlatilag megegyeznek. Elmondható, hogy minél magasabb szerveződési szinten áll egy élőlény, annál több benne a fehérjét nem kódoló DNS, azaz egyre bonyolultabb a "tervrajza".
A géneken kívüli DNS vizsgálata egyébként nagyon is praktikus kérdés - mondta Pellionisz. Kiderült ugyanis, hogy a géneken kívüli DNS hibái sok betegség esetében alapvető jelentőségűek. Több ezer betegség megismerésének és gyógyításának kulcsa nem a génekben, hanem itt található. A kutató a gazdasági hasznosíthatóságot is hangsúlyozza: a fraktál-megközelítéssel egy baktériumban talált olyan szerkezeteket, amelyekre alapozva olcsó hidrogént lehet majd termeltetni.
Az érdeklődő a következő részben a betegségek és a "hulladék" DNS izgalmas kapcsolatáról olvashat - lineárisan. |
|
AJÁNLOM AZ OLDALT
