Az eredeti ORIGO cikk tükre

1. Új tudomány született
2. Titkosírás a "hulladék" DNS-ben
3. Új remény a betegségek elleni harcban
4. A génszabályozás karmesterei: a mikroRNS-ek
5. Ezerarcú szatellit-DNS-ek
6. Összefoglalás

*UPDATES* *FELUJITAS*

The FractoGene Decade az évtized angol nyelvű összefoglalója 2002-2012
FractoGene Patent 2012 (sajtóközlemény a szabadalom elfogadásáról, angolul)

Unification of Neuroscience and Genomics angol nyelvű Springer könyv-fejezet, 2012
The Decade of Fractogene
a Hyderabad (India) Cybernetics, Systemics and Informatics cikke angolul, 2012
The Principle of Recursive Genome Function angolul, 2008
Is IT ready for the Dreaded DNA Data Deluge? a Google "Tech Talk" YouTube előadása angolul, 2008
[Hulladék DNS háttéranyag angolul]
Pellionisz a magyar sajtóban, 2008 február
A HelixoMetry és FractoGene magyar sajtója
[HoloGenomics News Column - angolul]

Pellionisz életrajza angolul, Biography, Email

Pellionisz nemzetközi dijai / Awards, Memorabilia:

Alexander von Humboldt Prize by Germany for Senior Distinguished American Scientist (USA-Germany)
(Announcement by New York University Medical Center, Photo documentation
Distinguished Scientist (Pentagram Prize by India), see recent biography in appendix of Guest of Honor Lecture

Edward Teller interview (Part I & Part II, ld. 2. rész befejezést és a video- valamint a magyar emlékirat-könyv illusztraciókat, továbbá a Teller, Wigner dokumentum-magángyujtemenyeket)

Társadalmi, kulturális tevékenységek:

Magyar Igazolvány (stb) megvalósitott javaslatai (1989, Erdélyi magyar támogatással)
Szentágothai Centenárium (New York City, 2012)


---

[A fenti Origo cikk nyomtatható változata]
Eltűnt a hulladék: új korszak kezdődött a DNS megértésében

[Origo]
2006. október 16., hétfő, 10:47

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

"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 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.

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. 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

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 [ld. a New York-ban tartott Szentágothai Centenárium képes, angol nyelvű füzetét itt] . 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.

Új remény a betegségek elleni harcban

Az orvostudomány mostanáig szinte kizárólag a génekre koncentrált, és így mintha csak a jéghegy csúcsát láttuk volna. Ám a géneken kívüli DNS kódjának feltörése során most rengeteg, eddig ismeretlen szabályozóelemet sikerül azonosítani. Végre fölfedeztük a molekuláris puzzle-játék eddig hiányzó első darabjait, s ezzel remélhetően nagy lépést tettünk a ma még gyógyíthatatlan betegségek elleni küzdelemben. Kiderült, hogy a "hulladék" DNS-ről átíródó RNS-molekuláknak éppoly fontos szerepe lehet a gének irányításában, mint az eddig ismert génszabályozást végző fehérjéknek, az ún. transzkripciós faktoroknak. Csoda-e, ha azok a hibák (mutációk), amelyek genomunk mostanáig figyelmen kívül hagyott, fehérjéket nem kódoló részein jönnek létre, szintén kulcsfontosságú szerepet játszanak a betegségek kialakulásában?

Bár még csak most döbbennek rá a szakemberek, milyen életbevágóan fontos információkat tartalmazhat a korábban "hulladék" DNS-nek nevezett tartomány, máris számos betegséget hoztak összefüggésbe az itt talált eltérésekkel. Íme csupán néhány fontos betegség a sok közül, amelyekben már kimutatták a géneken kívüli szekvenciák szerepét: Alzheimer-kór, Parkinson-kór, epilepszia, asztma, skizofrénia, agyvérzés, autizmus, AIDS, tüdő- és prosztatarák, cukorbetegség, szív- és érrendszeri betegségek. Noha az embernek körülbelül 24-25 ezer génje van, mintegy 150 ezer különböző genetikai rendellenesség létezhet.

Ép gének, beteg emberek?

Nem mindig a génjeinkben van tehát a hiba. Ameddig az örökletes betegségeket kizárólag egy gén vagy egy egész géncsoport károsodásával próbálták magyarázni, gyakran csak bizonytalan összefüggésekre derült fény. Jó példa erre az Alport-szindróma, egy ritka vesebetegség, amelyet a IV-es típusú kollagén nevű fehérjét kódoló gén mutációja okoz. A hibás gén alapján hibás fehérje termelődik. Mivel e kollagén kulcsszerepet jásztik a vesében szükséges bazális membrán fölépítésében, a rossz szerkezetű fehérje jelenléte veseelégtelenséghez vezet. Csakhogy hiába ismerjük a bajért felelős génmutációkat. Ezeket csupán a betegek felének DNS-ében sikerül kimutatni. Miért ennyire rossz hatásfokú a betegség géndiagnosztikája? Nemrég a kutatók meglepő felfedezésre jutottak. Kiderült, hogy a fehérjét nem kódoló területeken is megjelenhetnek olyan mutációk, amelyek szintén kialakítják a betegséget. Lehet akár teljesen ép a kollagént kódoló szekvencia, a gént szabályozó részek meghibásodása elegendő a vesebetegséghez.

Malcolm J. Simons, a "hulladék" DNS-sel kapcsolatos kutatások úttörője a budapesti konferenciára egy immunológiából jól ismert példát hozott. A 70-es évektől kezdve a kutatók több mint száz betegségnél (közöttük számos autoimmun-betegségnél) gyanakodtak az ún. fő szövet-összeférhetőségi génkomplex fehérjetermékeire. Ez a MHC-nek rövidített génkomplex olyan gének százait tartalmazza, amelyek az immunrendszer működésében létfontosságú antigénfelismerő-fehérjéket kódolnak. Ám a Nobel-díjra jelölt tudós fölhívta a hallgatóság figyelmét: amikor csupán a génekben keresünk mutációkat, nagyon bizonytalanul tudjuk diagnosztizálni ezeket a betegségeket. Mostanáig nem ismertük a kudarc okát. Az utóbbi időben azonban különleges szabályozó régiókra bukkantak, amelyek az érintett géneket irányítják, méghozzá igen messziről. Több tízezer-százezer "betű" távolságból, a "hulladék" DNS mélyéről. Valószínűleg ezek a szakaszok kulcsszerepet játszanak az említett betegségekben.

Az igazi tettesek

Egyre hosszabb azon betegségek listája, amelyekről tudjuk, hogy kialakulásukban a genom fehérjéket nem kódoló részei is közrejátszanak - mondta előadásában Malcolm J. Simons. Nem kétséges, hogy a "hulladék" DNS-ről származó, újonnan azonosított elemek, például mikroRNS-ek, kis interferáló RNS-ek, az ismétlődő szatellit-DNS-ek és a génekben található intronok (mindezeket lásd összeállításunk utolsó részében) a "háttérből" irányítják a géneket. Ezek a szabályozóelemek lehetnek az igazi "tettesek" a különböző kórképek kialakulásában. Most kezdjük csak megérteni e szabályozás jelentőségét. Ideje tehát nem csak a génekkel foglalkoznunk. A molekuláris játszmák új szereplőit fölismerve soha nem látott lehetőségek nyílnak a betegségek diagnosztizálásában. Sőt, ha sikerül megértenünk a fenti génszabályozás pontos részleteit, új terápiás megoldásokkal talán magunk is befolyásolni tudjuk a gének működését.

A következőkben azt az izgalmas kérdést boncolgatjuk, milyen trükkökkel irányítják a távolból, a "hulladék" DNS mélyéről származó információcsomagok a gének működését.

A génszabályozás karmesterei: a mikroRNS-ek

Nagy meglepetés érte a kutatókat, amikor kiderült: genomunk "nem kódoló" régióiban olyan mintázatok találhatók, amelyek egyes fehérjekódoló gének szekvenciáinak komplementereit ("tükörképeit") rejtik magukban. E mintázatok elképesztően fontosak. Akárcsak a fehérjéket kódoló génekről, ezekről is RNS-átiratok készülnek. Az így elkészült RNS-molekulák között vannak egyszálú, ún. mikroRNS-ek, és rövid duplaszálú RNS-ek is, amelyekből szintén egyszálú kis interferáló RNS-ek (siRNS-ek) képződnek.

A "hulladék" DNS-sel kapcsolatos egyik legizgalmasabb feladat: megfejteni a mikroRNS-ek (miRNS-ek) titkát. Ezek a molekulák csupán 21-23 "betűből" álló aprócska RNS-darabok, amelyek tehát a genom fehérjéket nem kódoló szakaszairól íródnak át. Egyre inkább úgy tűnik, alapvető szerepük van a fehérjekódoló gének szabályozásában. Több mint 250 miRNS-t sikerült már azonosítani az emberi genomban, körülbelül 80 százalékuk evolúciósan konzervált az emlősök között. Ma úgy tudjuk, a miRNS-ek leginkább a gének gátlásában jeleskednek. De hogyan tudják fékezni a géneket abban, hogy fehérjék szintézisét irányítsák?

Egy fehérje születése több lépésben történik, így más-más fázisában is szabályozható. Elsőként a sejtmagban a megfelelő gént kódoló DNS-szakaszról átirat készül az ún. hírvivő RNS-molekulákra - ezt a folyamatot transzkripciónak nevezzük. A hírvivő RNS-molekulák szállítják ki az információt a sejtmagból a fehérjeszintézis helyére, az ún. riboszómákhoz. E molekuláris gépezetek pedig a beérkező hírvivő RNS-ek utasítása alapján építik föl a fehérjéket. A mikroRNS-ek éppen ezen a ponton szólnak közbe. Képesek hozzákapcsolódni a hírvivő RNS-molekulákhoz, és ezzel akadályozzák őket a fehérjeszintézis irányításában.

Csendre intett gének

Mindez nagyon hasonlít ahhoz, ahogy a már említett kis interferáló RNS-ek (siRNS-ek) gátolják egyes gének kifejeződését. Ha egy siRNS-molekula rátalál egy vele komplementer "betűsorrendű" hírvivő RNS-molekulára, egy hatalmas enzimkomplex lép működésbe, és a hírvivő RNS lebontását idézi elő. Ehhez feltétlenül szükséges, hogy az siRNS pontosan komplementere legyen a hírvivő RNS egy darabjának, és létrejöhessen közöttük az összekapcsolódás, az ún. RNS-interferencia. Mindezt a poszttranszkripciós génelcsendesítés egyik formája, a gén elhallgattatása ugyanis már azután történik, hogy elkészült róla az átirat, a hírvivő RNS. Andrew Z. Fire és Craig C. Mello amerikai kutatók e folyamat fölfedezéséért kapták meg az idei orvosi-élettani Nobel-díjat. Az siRNS-ek leggyakrabban idegen eredetű (általában virális) RNS-hez kapcsolódnak. A jelenséget saját javunkra is fordíthatjuk: mesterségesen bejuttatva siRNS-eket egy sejtbe "lehalkíthatunk" géneket - e technológia hatalmas alapkutatási és gyógyászati lehetőségekkel kecsegtet a jövőben.

De térjünk vissza a mikroRNS-ekhez, hiszen ezek még az siRNS-eknél is több meglepetést tartogatnak! Csak 2000-ben fedezték föl ezeket, és máris a kutatók figyelmének középpontjába kerültek.

A Genetikai, Sejt- és Immunbiológiai Intézetben például azt vizsgálták, milyen szerepe lehet a 180 legismertebb emberi miRNS-nek a melanoma nevű rosszindulatú bőrrák kialakulásában. Dr. Falus András a konferencián tartott előadásában arról számolt be: összehasonlították a miRNS-ek kifejeződési (expressziós) profilját ugyanabból a sejtvonalból származó, ám különböző stádiumban lévő rákos sejtekben. A kutatócsoport az ún. valósidejű PCR technológia segítségével vetette össze az egészséges bőrsejtekből, áttétet nem okozó tumorsejtekből és áttétet képző daganatsejtekből származó mintákat. Vajon hogyan változik a miRNS-ek jelenléte a bőrrák lépésről-lépésre való kialakulásakor? A budapesti csoport eredménye szerint a vizsgált miRNS-ek meglepően nagy többségének szintje megemelkedik a rákos sejtekben, és csak egészen kis részük szintje csökken az egészséges sejteknél mért érték alá - mondja Hegyesi Hargita, a kutatócsoport egyik tagja.

Sejtbéli hálózataink Achilles-sarkai

A mikroRNS-ek világának föltárása azért is különösen fontos, mert - mint a fenti példa mutatja - bizonyos rákos megbetegedéseknél sokkal szorosabb összefüggést lehet kimutatni a kórképek kialakulása és e molekulák viselkedése között, mintha a fehérjekódoló géneket vizsgálnánk. Úgy tűnik ugyanis, a miRNS-ek kulcsfontosságú szerepet játszanak egész géncsoportok szabályozásában. Ennek vélhetően az a magyarázata, hogy a miRNS-eknek nem kell tökéletesen illeszkedniük molekula-partnereikhez, amelyekkel kapcsolatba lépnek. Kevésbé specifikusak, sokkal lazábban tudnak kötődni hozzájuk, mint az siRNS-ek. Így egy-egy miRNS-molekula nagyon sok különböző RNS-sel tud kapcsolatot létesíteni, ezért rengeteg gén működésére hatással lehet. Akár egész onkogén-családokat ("rákkeltő"-géncsaládokat) is szabályozhat. Sőt az is lehetséges, hogy miközben ezeket az onkogéneket gátolja, addig a daganatelnyomó (tumorszupresszor) géneket serkenti. Igazi karmester, "mozdulataival a gének egész szimfonikus zenekarát" vezényli. Úgy gondolják a kutatók, hogy az emberi genom körülbelül harmadát szabályozzák miRNS-ek.

E fölfedezés nem csak a diagnosztikában, hanem a terápiában is új lehetőségeket nyithat meg az orvostudomány előtt. Ugyanúgy, ahogy állatkísérletekben sikerült már mesterségesen sejtekbe juttatott siRNS-ek segítségével géneket elcsendesíteni (ezzel a módszerrel elértek már sikereket a koleszterinszint szabályozásában, daganatterápiában és egy vírusos betegség kezelésében is), elképzelhető, hogy a miRNS-ek nagyon hatékonyan bevethetők lesznek például a rák elleni harcban. Ha sikerülne megfelelő miRNS-eket készíteni, ezeket gyógyszerként bejuttatva a tumorsejtekbe talán egész onkogén családokat csendesíthetnénk el.

Az Egyesült Államok-beli Notre Dame-i Egyetemen dolgozó magyar fizikus, Barabási Albert-László vizsgálatai alapján tudjuk, hogy egy komplex hálózatban gyakran előfordulnak olyan csomópontok, amelyek jóval több elemmel vannak összekötve, mint egy átlagos pontja a hálózatnak. E sok kapcsolattal bíró csomópontokat huboknak nevezték el. A fehérjék vagy gének kölcsönhatásait ábrázoló hálózatban a hubok például azok a fehérjék, amelyek sok más fehérjetársukkal kapcsolatba lépnek, s ezért kulcsszerepük van a szabályozásban. Ám egy ilyen hálózat sérülékeny is. Ha éppen a hubokat éri károsodás, ez az egész hálózatra katasztrofális hatással lehet. Most, hogy a "szemét"-DNS-ből származó új elemeket is beilleszthetjük génjeink szabályozási hálózatába, illetve a rendszerbiológia (system biology) elméletébe, úgy tűnik, a mikroRNS-ek nagyon fontos hubokként viselkednek. És emiatt különösen fontos szerepük lehet molekuláris hálózataink stabilitása, így betegségeink kialakulása szempontjából.

A kedves Olvasó a következőkben a szatelit-DNS-ekről és az intronokról olvashat.

Ezerarcú szatellit-DNS-ek

Nem csak a génszabályozásban közvetlenül szereplő miRNS-ek és siRNS-ek kerültek a kutatók figyelmének középpontjába. Az eukarióta szervezetek genomjának "nem kódoló" részein olyan egymás után következő (tandem) ismétlődő szekvenciák is találhatók, amelyeknek még nem ismerjük a pontos funkcióját. Ezeket a néhány száz "betűs" egységekből felépülő részeket szatellit-DNS-eknek nevezik. A szatellit-DNS-ek leggyakrabban a kromoszóma végein (a kromoszómát védő telomer régióiknál), vagy éppen a kromoszóma központjában (a centromer régióhoz közel) helyezkednek el. Léteznek kisebb ismétlődő egységekből fölépülő ún. miniszatellitek és mikroszatellitek is. Milyen szerepe lehet e fehérjéket nem kódoló régióknak?

Durdica Ugarkovic, a zágrábi Ruder Boskovic Intézet Molekuláris Biológia részlegének kutatója a most befejeződött budapesti konferencián több lehetőséget is fölvázolt a szatellit-DNS-ek szerepére. Egyrészt vélhetően fontos szerepet játszanak a heterokromatin kialakításában, tehát segítenek a kromoszómák anyagát olyan szorosan összecsomagolni, hogy az ne lehessen aktív. Továbbá részt vehetnek a centroméra-régiók kialakulásában is. A centroméra-régió tulajdonképpen a kromoszóma közepe: ide kapcsolódnak a sejtmag osztódása során azok a húzófonalak, amelyek elválasztják egymástól a testvérkromatidokat.

Ráadásul a szatellit-DNS-ek között, mint Durdica Ugarkovic rámutatott, már olyanokat is sikerült találni, amelyeknek transzkripciója van, tehát RNS-átirat készül róluk. Bár az így létrejött RNS-átiratok nagy részének még nem ismerjük a szerepét, valószínűsíthető, hogy a szatelliteknek is van a génekre kifejtett szabályozó szerepük. Ismerünk olyan szatellit-DNS-ről készült RNS-átiratokat is, amelyekből további lépésekben siRNS-ek alakulnak ki.

Mindez arra utal, hogy a szatellit-DNS-eknek nagyon sokféle szerepük lehet a sejtekben. Részt vehetnek a kromoszómamozgásokban, a transzkripcióban, az érett hírvivő RNS-ek kialakulásában és a fehérjeszintézis szabályozásában is.

Az intronokkal is számolni kell

Ha a genom fehérjéket nem kódoló területeiről beszélünk, nem csupán a gének közti tartományokra kell gondolnunk. Egyetlen génen belül is vannak olyan szekvenciák, amelyek első látásra fölöslegesnek tűnnek a fehérjekészítés szempontjából. A gének szekvenciájának teljes "betűsorrendjéből" sokszor nem minden részlet a fehérje receptjéről szól. Lehetnek benne olyan látszólag értelmetlen, egyelőre nem értelmezett szakaszok, amelyek megszakítják a fehérje szerkezetét kódoló "szöveget". Az eukarióta élőlények génjei jól elkülönülő, mozaikszerű szakaszokból, exonokból és intronokból épülnek föl. Az exonok hordozzák azt az információt, amely a fehérje elkészítéséhez szükséges. Az intronok azonban nem mondanak semmit a fehérjéről, ám különböző pontokon beékelődnek az exonok közé. A baktériumok génjeiben nincsenek intronok, de minél összetettebb egy szervezet, annál nagyobb génjeiben az intronok száma, és annál hosszabbak ezek a szakaszok. Emlősök génjeiben igen gyakori, hogy az intronok jóval hosszabbak az exonoknál. (Egy génen belül az exon-intron határok megállapítása nem triviális bioinformatikai feladat - viszont az említett fraktális struktúrákat már vagy egy tucatnyi örökletes betegséggel kapcsolatos gének intronjaiban sikerült fellelni).

Malcolm J. Simons előadásában megemlítette, hogy 1977 óta, amióta a kutatók fölfedezték az intronokat, ezeket az üresnek tűnő génen belüli szakaszokat is "behajították a hulladék (DNS)-kosárba", gondolván, úgysem tartalmaznak információt, ha a fehérjék szerkezetére nincsenek hatással.

Amikor RNS-átirat, úgynevezett mRNS (hírvivő RNS) készül egy génről, az első átirat még az exonokat és az intronokat is tartalmazza. Ezután a splicing-nak nevezett folyamat során az elsődleges hírvivő RNS-ből kivágódnak az intronok. Így jön létre az érett mRNS, amely már csak az exonokat tartalmazza. Ez az mRNS adja a receptet a sejtmagból kijutva a fehérje elkészítéséhez.

Ám a splicing folyamatának nem csak az az egyetlen útja van, amikor az összes exon benne marad az érett mRNS molekulában. Ismerjük az ún. alternatív splicing jelenségét, amely során ugyanabból az elsődleges átiratból különböző mRNS-ek jönnek létre, attól függően, hogyan történik az intronok kivágása. A különböző mRNS-ek persze más-más fehérjék termeléséhez vezetnek. Ez egy "genetikailag olcsó" módja annak, miként tud egyetlen gén több különböző fehérjét is kódolni. Ezért lehet ilyen sokféle fehérje a sejtjeinkben, annak ellenére, hogy mindössze 24-25 ezer génünk van.

Az intronoknak, bár a fehérjék aminosav-sorrendjéről valóban nem mondanak semmit, nagy szerepük van az alternatív splicing szabályozásában. Az intronon található különleges szekvenciák (az ún. "splice site"-ok) határozzák meg azokat a vágási helyeket, amelyek segítségével a splicingot végző apparátus "átszerkeszti" az RNS-molekulát.

Ma már tudjuk: az alternatív splicing hibája sok betegséggel kapcsolatba hozható. Sonja Vogl, a Bécsi Orvosi Egyetem kutatója a konferenciára beküldött összefoglalójában leírja, hogy belekezdenek az izomsorvadás (muscularis dystrophia) átfogó funkcionális genomikai vizsgálatába. Pontosabban: egy új adatbázist készítenek többek között azokról az RNS- és fehérjetermékekről, amelyeket izomsorvadásban szenvedő betegekből sikerül izolálniuk.

De nem csak az alternatív splicing miatt érdekesek az intronok. Egy másik ok, amely miatt számolni kell velük: kiderült, számos intron belsejében mikroRNS-ek vannak kódolva, amelyek a génszabályozásban játszanak alapvető szerepet (lásd korábban).

Összefoglalás

Új tudomány születik a szemünk láttára. Szinte áramütésként érte a fölfedezés a genomot elemző kutatókat: az elmúlt években csapdába estünk, hiszen csupán egy apró részletét vizsgáltuk a sejtjeinket működtető szabályozási rendszernek. Egyre bizonyosabb: a fehérjéket kódoló gének, amelyek kutatásától a csodát vártuk, leginkább csak azt az információt tárolják, milyen alapelemekből épül föl a sejt. Azt, hogy miként épüljön föl az élő rendszer, inkább a gének működését irányító mikroRNS-ek, kis interferáló RNS-ek, piknonok, szatellit-DNS-ek, intronok és egyéb szabályozó elemek határozzák meg - amelyek mindegyike a genom "nem kódoló" területeiről származik. A gének csak az alapanyagot adják. A végrehajtandó program, úgy tűnik, azon a hatalmas DNS-területen van kódolva, amelyet balgaságból mostanáig "hulladék" DNS-nek neveztünk. Ezek az információk "más nyelven" vannak írva, mint a fehérjéket kódoló gének. Nem lineárisan, hanem a fraktálgeometria módszereivel lehet őket elolvasni. A fraktál-DNS titkát elsőként egy magyar biofizikus fejtette meg, aki szerint a magyar kutatóknak most kiváló lehetőségük adódik bizonyítani a tehetségüket.

Elevenítsük hát föl zárásként a világhírű magyar matematikus, Neumann János 1945-ből származó gondolatmenetét. Neumann kiemelkedő érdemeket szerzett az elektronikus számítógépek logikai tervezésében. Ugyanabban a művében, amelyben például a kettes számrendszer használatát is javasolja a számítógépek működéséhez, leírja a "tárolt program elvét". Eszerint nem csak az adatokat tárolhatjuk el a belső memóriában, hanem az adatokon végzett utasításokat is adatnak tekinthetjük, és szintén a belső memóriában raktározhatjuk el őket. Így az adathalmaz és a végrehajtandó, lekódolt program ugyanabban a tárolóban, egymás mellett foglal helyet. Mint Neumann leírta, ennek az a nagy előnye, hogy a gép önállóan képes dolgozni, mert a kezelendő objektumokat és az utasításrendszert egyaránt ismeri. Ezt az elvet ma Neumann-elvnek hívják, és a jelenlegi számítógépek mind eszerint működnek. Ám mintha az evolúció is fölismerte volna a Neumann-elvet, amikor ugyanabban a "memóriában", a DNS-ben raktározta el a fehérjéket kódoló géneket, és az őket irányító - kicsit más nyelven íródott - programot.

Münz Márton - Simon Tamás

[origo]