Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

Falus András, László Valéria, Tóth Sára, Oberfrank Ferenc, Pap Erna, Dr. Szalai Csaba (2014)

Typotex Kiadó

Epigenetikus jelenségek

Epigenetikus jelenségek

A legfontosabb epigenetikai események: a genomikus imprinting, az X-kromoszóma inaktivációja. Ezeken túlmenően a karcinogenezis, az öregedés, bizonyos pszichiátriai kórképek, sőt magatartászavarok is kapcsolatba hozhatók epigenetikus folyamatokkal. Egyes megfigyelések arra utalnak, hogy ezek a DNS-szekvenciát nem, de annak működését befolyásoló változások nemcsak szomatikusan, tehát mitózisról mitózisra adódhatnak tovább, hanem a meiózis révén, a gametogenezis során, az ivarsejtekre is áttevődnek, s így a megtermékenyítést követően az utódokra is jellemzőek lehetnek, tehát vannak az ún. transzgenerációs epigenezisre utaló jelek is.

X-kromoszóma-inaktiváció

Az emlősök diploid organizmusok, ennek következtében egy bizonyos tulajdonságért felelős autoszomális génlókusz mindkét allélja működik, vagyis a bialléles génexpresszió a jellemző. Ha az autoszómák valamelyike kromoszómamutáció következtében kiesik, tehát így egy-egy lókuszon csak egy allél marad, ez általában letális vagy súlyos tüneteket eredményez. Ezzel szemben a nemi kromoszómák csak nőkben alkotnak homológ párokat (XX), míg a férfiakban az Y-kromoszóma nem funkcionális homológja az X-kromoszómának. Míg az Y-kromoszóma kevés, főként a hím nemi determinációért (SRY) és a gametogenezisért (pl. AZF) felelős gént tartalmaz, addig az X-kromoszóma nagyszámú testi tulajdonságot meghatározó génnel is bír. Amennyiben az egyetlen X-kromoszómán kódolt gének férfiakban elégségesek a normális egyedfejlődéshez, a normális élettani folyamatokhoz, úgy egy darab X-kromoszóma elég kell, hogy legyen a női szervezet számára is. Ez azt jelenti, hogy evolúciósan szükségessé vált a két nem eltérő X-kromoszomális géndózisait kiegyenlíteni, azaz a dózisbeli eltéréseket kompenzálni. Ezt a dóziskompenzációt szokás lyonizációnak is nevezni a jelenség leírója, Mary Lyon után. Emlősökben, így az emberben is, ez a dóziskompenzáció a női szervezetben az X-kromoszóma inaktivációja révén valósul meg. Azonban hangsúlyozni kell, hogy más, ugyancsak heteromorf szexkromoszómával bíró élőlényekben a dóziskompenzáció más mechanizmusokkal történik. Az emlős embrionális fejlődés kezdetén a blasztociszta stádiumban történik az X-kromoszóma inaktivációja. A dóziskompenzáció első lépéseként egy ma még részleteiben nem teljesen ismert mechanizmussal, kromoszómaszámlálás történik. Ez azt jelenti, hogy a sejt információt szerez a benne található X-kromoszómák mennyiségéről. Amennyiben 2 vagy annál több X-kromoszóma van a sejtben, csak egy marad aktív, a másik (vagy a többi) inaktiválódik. Ez az inaktiválódás véletlenszerű (random), vagyis akár az anyai, akár az apai eredetű X inaktiválódhat. Azonban, ha egyszer a kiválasztott X inaktiválódott, akkor ez az állapot az adott sejt valamennyi utódsejtjében élethossziglan fennmarad. A random X-inaktivációnak köszönhetően egy női szervezetben lesznek olyan sejtek, amelyekben az anyai, és lesznek olyanok, amelyekben az apai eredetű X-kromoszóma lesz inaktív. Vagyis emiatt a női szervezet ún. funkcionális mozaicizmust mutat. Az inaktív X-kromoszóma intakt, génjeinek zöme nem íródik át, kivéve a pszeudoautoszomális részeket az X-kromoszóma mindkét karjának teloméra közeli területén (PAR1 és PAR2 régiók), illetve azt a néhány gént, amely megmenekül az X-inaktivációtól. Ezek az inaktív X-kromoszómán is aktívak maradnak. Annak kiderítése, hogy miért ezek a gének menekülnek meg és hogyan, intenzív kutatások tárgya ma is. Bár az inaktiváció a testi sejtekben utódsejtről utódsejtre továbbadódik, ez nem jelenti azt, hogy az ivarsejtekben is ez lenne a helyzet. A petesejtképzés során az inaktiválódott X-kromoszóma újra aktiválódik, és függetlenül attól, hogy végül melyik X-kromoszóma kerül az érett ivarsejtbe, az aktív lesz. Az X-inaktivációban az ún. XIC = X inactivation center játszik döntő szerepet. Itt, a Xq13 régióban található a XIST gén, amely csak az inaktív X-kromoszómáról íródik át. A termék egy nagy, nem-kódoló RNS, ami egy még nem teljesen ismert mechanizmussal, mintegy bevonja a leendő inaktív X-et. A XIST expresszióját számos más epigenetikus esemény követi: DNS-metiláció, hisztonmetiláció, megváltozik a hisztonösszetétel, mert megjelenik a macroH2A hisztonvariáns, fokozódik a kromoszómakondenzáció, és végül az inaktív X-kromoszómára jellemző lesz a késői DNS-replikáció is, azaz az inaktív X-kromoszóma DNS-e az összes kromoszóma DNS-éhez képest később kezd replikálódni. A fokozott kromoszómakondenzáció heterokromatinizáció-hoz vezet, végül az érintett terület transzkripciós hozzáférhetősége gátlódik, tehát az adott kromoszóma inaktív lesz.

Genomikus imprinting

A klasszikus genetikai kísérletek alapján úgy tűnt, hogy még heterozigótaság esetén sem számít, melyik allél melyik szülőtől származik. Mivel mindkét allél expresszál, így az eredet nem fontos. Azonban bizonyos állatkísérletek, illetve ritka emberi betegségek arra utaltak, hogy ez legalábbis nem minden génre igaz. Egérembrió-manipulációs kísérletek során azt tapasztalták, hogy ha egy egérpetesejtbe ugyanannak az egérnek egy másik petesejtjéből származó sejtmagot juttattak be, akkor az ily módon létrehozott diploid sejt, egy gynogenota ugyan elkezdte az embrionális fejlődést, de hamarosan elpusztult, ugyanis a fetalis membránok nem alakultak ki. Amikor a kísérleteket megismételték oly módon, hogy egy enukleált petesejtbe két spermiumból származó sejtmagot juttattak, akkor, bár szintén nem volt normális az embrionális fejlődés, az előbbitől eltérő jelenséget tapasztaltak. Az ilyen androgenotában embrió nem, csak túlburjánzó fetalis membránok alakultak ki. Vagyis az egérkísérletek nyomán arra a következtetésre jutottak, hogy az anyai és az apai genomfél funkcionálisan nem egyenértékű. Erre utaltak olyan ritka emberi betegségek is, mint a komplett mola hydatidosa. Ebben az esetben csak apai eredetű kromoszómákat találtak az üszökterhességből származó egyébként diploid mintában. Vagyis egy üres petesejtet valószínűleg vagy egy diploid, vagy két spermium termékenyített meg, amire az is utal, hogy további vizsgálatokkal minden lókuszra homozigótának bizonyultak. Ennek fordítottját tapasztalták a teratocarcinomák elemzésekor, amikor a kóros szövetben csak anyai eredetű kromoszómákat találtak. Ezeknek a kezdeti megfigyeléseknek alapján úgy vélték, minden kromoszómánk hordoz valamilyen jelet, ami a szülői eredetre utal. Ez a jel valamikor a gametogenezis során rögzül, azaz valahogy bevésődik az örökítőanyagba. A genom szülői eredetre utaló megjelölését genomikus imprintingnek nevezték el.

Az imprinting mechanizmusának tisztázására további kísérletek történtek. Amikor az egérkísérleteket oly módon ismételték meg, hogy csak egy kromoszómapár vagy egy kromoszóma distalis vagy proximalis része volt tisztán apai vagy anyai eredetű, akkor kiderült, hogy nem a teljes genom, hanem csakbizonyos kromoszómaszakaszok, bizonyos gének hordoznak szülői eredetre utaló jelet. Ilyen jelenség az uniparentális diszómia (UPD) is (lásd a 3. Citogenetika fejezetben), amikor ritka kromoszóma szegregációs anomáliák nyomán olyan, a kromoszómaszámot tekintve normális diploid szervezetek jönnek létre, ahol bizonyos kromoszómák/kromoszóma részek mindkét példánya ugyanattól a szülőtől származik, s amik/akik az érintett kromoszómáktól függően súlyos tüneteket, kórképeket mutatnak. Mivel a DNS bázissorrendje szempontjából közömbös, melyik szülőtől származik, a jelölődés epigenetikus. Ha egy apa egy olyan imprintált gént ad tovább gyermekének, amit ő az édesanyjától örökölt, akkor az adott gén az apában anyai imprintinget hordoz, de az ő gyerekébe már apai imprintinggel kerül át. Ez azt jelenti, hogy az imprinting reverzibilis. Vagyis az X-inaktivációhoz hasonlóan, a szomatikus sejtekben az imprintinget eredményező epigenetikus jel, illetve mintázat változatlan formában öröklődik tovább, de a csírasejtekben az eredeti örökölt mintázat letörlődik, és az egyed nemének megfelelő új, női vagy férfi epigenetikus mintázat, imprinting épül fel. Eddigi ismereteink szerint emberben mintegy 100 imprintált gént ismerünk, amelyek általában az egyedfejlődésben – különösen a beágyazódás körüli időszakban –, a növekedésben, illetve a viselkedésben játszanak szerepet. Ezek a gének nem teljesen szétszórtan helyezkednek el a genomban, hanem csoportokat, ún. differenciáltan imprintált régiókat (clustereket) alkotnak. Egérben a 7. kromoszóma, emberben a 11. és 15. kromoszóma különösen gazdag imprintált régiókban.

Imprintinggel összefüggő betegségek

Az imprintinggel kapcsolatos betegségek kutatása még mindig gyerekcipőben jár, hiszen sok, nagyon finoman szabályozott mechanizmus vezethet ezek kialakulásához. A legismertebb, imprintingre visszavezethető betegség a Prader–Willi- és az Angelman-szindróma, ahol a 15q11-q13 régió érintett. Míg a Prader–Willi vagy a fenti régió apai deléciójának vagy anyai UPD-jének köszönhető, addig az Angelman-szindróma oka lehet az anyai deléció, az apai UPD, illetve az ebben a régióban elhelyezkedő UBE3A (ubiquitin ligáz) mutációja is. Sőt, mindkét esetben előfordulhat a magáért az imprintingért felelős centrum (IC) mutációja is. A Prader–Willi-szindrómát obezitás, a kis kezek és lábak, a külső nemi szervek fejletlensége, enyhe értelmi fogyatékosság jellemzik. Az Angelman-szindrómában egészen eltérő tüneteket figyelhetünk meg. Ekkor fejlődési visszamaradottság, kényszeres mozgás, nevetés, gyenge beszédképesség vagy beszédképtelenség a jellemzők.

További ismert, ritka, imprintinggel kapcsolt betegségek:

  1. a Beckwith–Wiedemann-szindróma, ahol a 11p15.5 régióban két, differenciáltan imprintált régió (cluster) is megtalálható a H19, az IGF2 és a KCNQ10T génekkel. Az előbbire kisgyermekkori vesetumorral járó kórképek (Wilms-tumor, Beckwith–Wiedemann-szindróma) hívták fel a figyelmet. A tumor kialakulásakor a veseszövetben a heterozigótaság elvesztése történik (LOH; lásd a mutációkat tárgyaló 2. fejezetben), de ekkor szinte mindig (több mint 90%-ban) az anyai allél vész el.

  2. a Silver–Russell-szindróma (7p11.2 vagy 11p15.5);

  3. a pszeudo-hipoparatiroidizmus (20q13.2)

  4. a tranziens neonatális diabetes mellitus (6q24).

Az imprinting célja

Számos elmélet született az imprinting evolúciós eredetének magyarázatául. Az egyik legismertebb az ún. szülői érdekellentét teória. Eszerint az apák akkor tudják génjeiket a legjobban elterjeszteni, ha sok utódjuk van. Ha a sok szülés következtében az anyai szervezet kimerül, vagy az anya meghal, az apa egy másik partnerrel további utódokat produkálhat, és még jobban elterjesztheti génjeit. Ezzel szemben az anyák érdeke erőforrásaik kímélése, vagyis azzal, hogy nem egyetlen utódba fektetik az összes erőforrást, további reprodukciós ciklusokat is túlélhetnek, és így végül is sikeresen adják tovább saját génjeiket. Azaz az apai gének serkentik – még az anya kárára is – a magzati növekedést, míg az anyaiak korlátozzák a magzat által hozzáférhető erőforrásokat. Ez az elképzelés jól illeszkedik a mola hydatidosa és az ovariális teratomák esetében megfigyeltekkel, illetve azzal a ténnyel, hogy az IGF2 (inzulinszerű növekedési faktor 2 = insulin-like growth factor 2) és receptorának (IGFR) génje is imprintált. E két gén imprintingje speciális: az apai IGF2 gén gyengén, míg az IGFR gén erősen metilált, az anyában ez pont fordítva van. Ennek jelentősége abban áll, hogy ily módon a két szülőből származó hatások kiegyenlítődnek: hiába van több növekedési faktor, ha kevés a receptor. Mivel a Prader–Willi- és az Angelman-szindróma nem erősíti meg a fenti teóriát, ezért valószínűleg még más, nem ismert oka is lehet az imprintingnek. Az egyik ilyen újabb teória a felegyenesedett testtartásnak és a terhesség alatti súlyponteltolódásnak tulajdonít szerepet. Eszerint az anyai imprinting korlátozza a magzati növekedést, és ezáltal a súlypont elmozdulását, így stabilabbá téve a felegyenesedett testtartást és a járást, ami életmentő lehetett a korai emberelődök számára.