Kezdjük megfejteni, hogyan alakulunk emberré

A Humán Genom Projekt 2001-es bejelentése, miszerint a várt 100 000 génnél jóval kevesebbel rendelkezünk, felborította az összes addigi elképzelést azzal kapcsolatosan, hogy mi tesz minket emberré. Kiderült, hogy mindössze 20 000 génünk van. Ez óriási sokként érte a tudósközönséget, mivel ez nagyjából ugyanannyi, mint amennyivel pl. a mikroszkópikus méretű férgek rendelkeznek, nyilatkozta az azóta eltelt másfél évtized eredményeit összefoglaló New Scientist cikkben John Mattick genetikus, és azt is hozzátette: még csak most kezdjük megérteni ennek a felfedezésnek a valódi jelentőségét.

Amit már biztosan ki lehet jelenteni, az az, hogy az ember és valamennyi komplex élőlény felépítésének tervrajza nemcsak a génekben van, hanem leginkább a genom egyéb, sokáig negligált területén, amit, mivel nem értettük, mire jó, magabiztosan szemét DNS-ként kezdtünk emlegetni. Ma azonban már nagyon valószínű, hogy ez a „szemét” DNS a felelős olyan ikonikus emberi tulajdonságainkért, mint a felegyenesedett testtartás, a többi ujjal szembefordítható hüvelykujj, a nagy agy, a nyelvhasználat képessége, sőt talán olyan sajátságokért is, mint a monogám kapcsolatok kialakítása iránti igény, fejtegeti Colin Barras tudományos-ismeretterjesztő újságíró (You are junk: Why it’s not your genes that make you human; New Scientist).

A szemét, azaz junk DNS elnevezés Susumu Ohno evolúciós biológustól származik, ő népszerűsítette a kifejezést az 1970-es évek elejétől, amikor a genetikusok kezdtek rájönni, hogy milyen sok olyan terület van a DNS-ben, ami nem kódol fehérjét. Más kutatók már akkor is kifejtették, hogy ha ez a hatalmas méretű, a genom 98 százalékát kitevő DNS felesleges lenne, a természetes szelekció már kipucolta volna a genomunkból, azonban csak mára kezd körvonalazódni a szemét DNS funkciója olyan teljesgenom-asszociációs és epigenetikai vizsgálatok révén, amelyek lehetővé tették, hogy összehasonlítsuk az emberek – köztük már kihalt emberfajták, pl. a Neandervölgyi ember -, a különféle majmok, egerek és egyéb állatok DNS-ét. Az összehasonlító vizsgálatok célja olyan DNS-darabokat keresni, amelyek különböznek a modern emberek és az összes többi élőlény között, olyan régiókat, amelyek kizárólag ránk jellemzőek.

James Noonan (Yale University) és Shyam Prabhakar (Genome Institute of Singapore) 2008-ban az összes emlős esetében megcsinálta a bázissorrenddel kapcsolatos összehasonlítást, és kiszúrt egy DNS-szakaszt, amiben szokatlanul nagymennyiségű mutáció halmozódott fel, amióta az ember és a csimpánzok ősei elváltak egymástól. Hogy kitalálják, mire lehet jó a HACNS1 (human-accelerated conserved non-coding sequence 1) elnevezést kapott DNS-régió, egér-embriók genomjába inzertálták egy olyan molekuláris jelzőrendszerrel együtt, ami megváltoztatta a színét, amikor a HACNS1 módosította a környezetében lévő gének aktivitását. A jelzőrendszer az embriók mancsában lépett működésbe, azon a területen, ahol az 1-es ujj formálódik, ami az embernél a hüvelyujjat, illetve a nagylábujjat jelenti. Mint Prabhakar elmondja a New Scientistnek, az emberi hüvelyujj és nagylábujj az egyik legmeghatározóbb sajátossága fajunknak; a többi ujjal szembefordítható hüvelyujj akkor alakult ki az evolúció során, amikor őseink 3 millió évvel ezelőtt elváltak a csimpánzok őseitől, majd kőeszközöket kezdtek használni. Sőt, az is igen valószínű, hogy a korai humanoidok ezidőtájt egyenesedtek fel és kezdtek két lábon járni. A gének be- és kikapcsolódásának módosításával ez az apró DNS-szakasz, a HACNS1 alakíthatta az ehhez szükséges formára kezünket és lábunkat (Human-Specific Gain of Function in a Developmental Enhancer; Science).

Persze nem ez az egyetlen vizsgálat, ami alátámasztja, hogy a genetikai szabályozó régiók, és nem maguk a gének játszanak alapvető szerepet az ember kialakításában. Egy 2013-as tanulmány a DNS-metiláció szerepére hívja fel a figyelmet, és kimutatja, hogy az közreműködhetett a két lábon járás és a beszédkészség kialakulásában. Andrew Sharp és kollégái (Icahn School of Medicine, New York) összehasonlították az ember, a csimpánz, a gorilla és az orángután DNS-ének metilációs mintázatát, és 171 olyan gént találtak, amelynek az epigenetikai mintázata csak az emberre jellemző sajátosságokat mutat. A gének olyan tulajdonságok kialakításában működnek közre, amelyek a két lábon járáshoz és a beszédhez szükségesek, pl. vérnyomás-szabályozás, a belső fül vagy az arc izmainak fejlődése (Dynamics of DNA Methylation in Recent Human and Great Ape Evolution; PLOS Genetics).

2014-ben David Gokhman és Liran Carmel (Hebrew University, Jerusalem) publikálta annak az úttörő kutatásnak az eredményeit, amelyben már kihalt emberfajták DNS-ének metilációs mintázatát tárták fel, kihasználva azt a tudást, hogy a metilált DNS-szakaszok más tempóban degradálódnak. Az eredményt az emberi DNS epigenetikus mintázatával összehasonlítva kiderült, hogy a végtagfejlődést szabályozó régiók metilációja a mai ember esetén jelentősen eltér pl. a Neandervölgyiekétől, ami azért is érdekes, mert tudjuk, hogy a Neandervölgyiek vaskosabb, rövidebb végtagokkal rendelkeztek. Azaz, magyarázza az eredményeket Colin Barras, néhány gén ki- és bekapcsolása közreműködhetett abban, hogy hosszabb, vékonyabb végtagjaink vannak, mint kihalt unokatestvéreinknek.

A specialitást egyes elemek hiánya is magyarázhatja. David Kingsley (Stanford University) és munkatársai azonosítottak 500 olyan DNS-régiót, amelyekből az ember esetében hiányzik néhány betű, amelyek közeli rokonaink esetében mindnél megvannak. A kutatók az 500-ból főleg kettőre fókuszáltak – mindkettő nem-kódoló régióban található, az egyik egy tumorszuppresszor gén, a másik egy hím nemi hormon receptor génje mellett. Az egérembriókba juttatott DNS-régiók az agyban, illetve a pénisz területén mutattak aktivitást, és mint Kingsley kifejti, miután őseink elvesztették az agyi régióban aktív DNS-régóból a ma hiányzó darabokat, hirtelen gyors proliferációba kezdtek a neuronjaik, és kialakították a mai emberre jellemző óriási agyat. Ez utóbbi nagyjából bizonyos, míg az ágyékban aktív DNS-régió szerepével kapcsolatban csak spekulációk vannak: a csimpánzban a hosszabb régió tüskés péniszt eredményez, amivel a hímek vetélytársaik spermiumait tudják a nőstény nemi járataiból eltávolítani, míg a rövidebb DNS-szakasz az embernél lehetővé tehette a szorosabb párkapcsolatok kialakulását (Human-specific loss of regulatory DNA and the evolution of human-specific traits; Nature).

A legújabb felvetések össze is kötik a szemét DNS-t és az epigenetikus mintázatot. Mint John Mattick (Garvan Institute of Medical Research, Sydney) kifejti, elképzelhető, hogy a szemét DNS kontrollálja a metilációt az átíródó, de nem-kódoló RNS molekulák révén. Mattick javaslata szerint gondoljunk úgy a génjeinkre, hogy azok építőelemeket kódolnak, olyan fehérjéket, amelyek szinte bármilyen élőlény felépítéséhez használhatók, míg a genom 98 százalékát kitevő egyéb DNS tartalmazza azt az információt, hogy hogyan kell ezekből az aspecifikus építőelemekből a különféle fajokat létrehozni.