Ugrás a tartalomhoz

Genetika és genomika

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

Typotex Kiadó

Evolúciógenetika

Evolúciógenetika

A modern evolúciógenetika a darwini evolúció, a genetika és a molekuláris genetika szintéziséből származik. Az evolúciógenetikát itt most főleg humán, orvosi szempontokat figyelembe véve tárgyaljuk, és leginkább arra szorítkozunk, hogy milyen tényezők játszhattak szerepet a mai ember genomjának kialakulásában.

A humán genomot formáló gén-környezet kölcsönhatások

Genomunk és a környezet folyamatos kölcsönhatásban áll egymással. A mai ember genomja a környezettel való folyamatos kölcsönhatás során alakult ki. A genomot formáló szelekciós mechanizmusok lehetnek:

  • Természetes (vagy tisztító) szelekció (az előnytelen mutáció nem öröklődik tovább).

  • Pozitív szelekció (az előnyös mutáció feldúsul).

  • Kiegyensúlyozó szelekció: pl. a heterozigótaság valamilyen környezeti tényezővel szemben előnyt jelenthet.

Az ember az állatvilágban különleges helyet foglal el, ami a genomján is nyomot hagy, illetve hagyott (1). Például az öltözködés, különböző eszközök, mezőgazdaság, gyógyszerek, úgy általában a civilizáció, lehetővé tették, hogy az egyébként toxikus variánsok feldúsuljanak. Ez a mai, fejlett orvostudománnyal rendelkező korunkban különösen felgyorsult. Sokszor nagy penetranciájú, kóros mutációjú emberek is tudnak szaporodni, továbbadva a toxikus variánsokat. Ez ugyan az emberiség nagyobb diverziását, komplexitását is lehetővé tette, kiszolgáltatott lett viszont a technikai innovációknak.

Az emberi genomot formáló környezeti tényezők közül kiemelkedő fontosságúak és hatásúak a mikroorganizmusok, illetve az embert érő fertőzések. Ennek a szelekciós tényezőnek még történelemformáló hatásait is ismerjük, illetve még manapság is tapasztaljuk. Gondoljunk bele, hogy a különböző hatalmas járványokban (pestis, kolera, tífusz, himlő stb.) az arra érzékenyek meghaltak (kiszelektálódtak), és nem örökítették tovább genomjukat. Aki valami miatt ellenálló volt, életben maradt, és továbbörökítette a betegségrezisztens genomját. Például Amerika meghódításában az eltérően szelektálódó populációk találkozása oda vezetett, hogy az amerikai őslakosok túlnyomó többsége a hódítók által behurcolt fertőzésekbe halt bele, de az európaiak is vittek haza jó néhány súlyos betegséget okozó fertőzést. A ma élő populáció azoknak az utóda, akik túlélték ezeket a nagy járványokat, és termékeny utódokat hoztak létre. Itt azonban meg kell jegyezni, hogy az, hogy valaki hogyan reagál egy fertőzésre, a genomján kívül természetesen mástól is függ. Ilyenek lehetnek pl. a korábbi és egyidejű fertőzések, általános fizikai állapot, vagy az adott epigenetikai állapot.

Az elmúlt években a humán genom megismerésével ezeknek a mikroorganizmus-emberi genom kölcsönhatásoknak számos nyomát fedezhettük fel. Pl.:

  • A vírusok és a baktériumok beépültek genomunkba, több 100 génünk származik baktériumokból

  • 8%-a a genomunknak származik retrovírusokból

  • Vannak speciálisan vírus- és baktériumellenes génjeink Ilyenek pl. a mintázatfelismerő receptorok a baktériumok ellen (Toll like receptor, MBL, CD14 stb.), vagy az antivirális gének, fehérjék (pl. APOBEC3G, BST2 (tetherin), TRIM5).

Az első két pont a génáramlás egy fajtájára, horizontális géntranszferre is példa.

A mikroorganizmusok az emberi genomot állandó szelekciós nyomás alatt tartották és tartják ma is. Ezzel kapcsolatban végeztek el egy GWAS-t, amelyben 52 populációban található 950 emberben, 660 ezer SNP-eloszlása, és az epidemiológiai adatok között kerestek összefüggést. Az epidemiológiai adatokat a Gideon adatbázisból hasznosították (http://www.gideononline.com/). Ez a Global Infectious Disease and Epidemiology Network database elnevezésű adatbázis. Az volt a feltételezés, hogy az eltérő földrajzi helyen élő populációkra eltérő vírusok hatottak, és az egyes populációkban kiszelektálódtak az ott levő vírusokra legkevésbé érzékenyek, azaz azok, akiknek a genomjában olyan variációk voltak/vannak, amelyek miatt sikeresebben élik túl a vírusfertőzéseket. Ebben a GWAS-ban 441 variánst azonosítottak 139 génben, amelyek asszociáltak a vírusdiverzitással. A variánsok nagy része fehérjekódoló génekben volt, befolyásolták az immunválaszt, illetve a vírus-receptorként szolgáló glikánstruktúrákat, valamint a vírusgazda-szervezet kölcsönhatást (5).

Genetikai sodródás

Egyes populációk genetikai összetételét, az allélgyakoriságokat véletlen események is döntően befolyásolhatják. Ilyen lehet például, amikor egy nagyobb populáció néhány tagja, egy újabb, izolált populációt hoz létre (bottleneck effect). Ilyenkor előfordulhat, hogy egy, az eredeti populációban ritka allél gyakorivá válik, egy másik meg esetleg teljesen el is tűnhet. De az is lehet, hogy kis populációban egy allélt hordozónak, az alléltól függetlenül, sok utóda lesz, ezáltal megnőhet annak gyakorisága. Ez a genetikai sodródás, vagy angolul random drift.

Ennek orvosi szempontból is lehet jelentősége. Előfordulhat, hogy egy genetikai sodródás miatt felszaporodott allél új környezetbe kerülve betegséget okozhat, vagy esetleg védhet bizonyos betegségekkel szemben.

Evolúciógenetikai szempontból a populációgenetika az allélfrekvencia természetes szelekció, genetikai sodródás, mutáció és génáramlás által irányított eloszlásának és változásának tanulmányozása.

Miért gyakori néhány súlyos betegséget okozó mutáció?

A természetes szelekció alapján, a súlyos betegséget okozó mutációkkal rendelkezők, ha a mutáció az ivarérett kor előtt, vagy az alatt jelentkezik, jóval kisebb eséllyel örökítik azt tovább, így hosszú távon a mutáció kiszelektálódik a populációból. Néhány súlyos betegséget okozó mutáció viszont, furcsa módon, populációs szinten nagyon gyakori. Hogyan lehetséges ez?

Ennek egyik magyarázata a heterozigóták szelekciós előnye (azaz a kiegyensúlyozó szelekció). Ez azt jelenti, hogy bizonyos mutációk, melyek homozigóta formában súlyos betegséget okoznak, a hordozóknak valamilyen előnyt adnak, ami növeli a túlélésük, szaporodásuk esélyét. Így a mutáció fennmaradását biztosítják.

A szelekciós előny szempontjából európaiakban az egyik legismertebb példa a cisztikus fibrózis (CF), vagy mukoviszcidózis. Ez a leggyakoribb autoszomális recesszív betegség, gyakorisága a fehér populációban: 1/2500–3000; hordozók gyakorisága Magyarországon: 1/28. A betegséget okozó mutációk körül kiemelkedően gyakori a ΔF508 mutáció, amely a CFTR génben található, és az összes CF-mutáció 66%-át adja. A betegség még néhány 10 évvel ezelőtt is általában gyerekkori halált okozott, sőt az ivarérett kort elérő beteg férfiak 95%-a terméketlen. Azaz, ez egy tipikusan olyan betegség, amelyben a betegek kiszelektálódnak a populációból, és nem adják tovább a hibás génjüket. Ennek ellenére Magyarországon is minden 28. ember hordozó. Felmerül a kérdés, miért ilyen gyakori a CF-mutáció?

A CF-et a CFTR gén mutációja okozza. Ez egy transzmebrán fehérjét kódol, egy kloridion-csatornát az epitélsejtekben, és fontos szerepet játszik a sejtek és a szervezet só-víz háztartásában. Egyes feltételezések szerint a CFTR-nek szerepe van a Vibrio cholerae és az Escherichia coli toxinjai által kiváltott hasmenés miatti kiszáradásban. A heterozigótákban csökken a működése, így nagyobb a fertőzöttek túlélési esélye. Mivel az emberiséget többször is megtizedelték a hasmenést okozó fertőzések (pl. kolera, vérhas, tífusz stb.), azoknak, akik a mutáció miatt lassabban száradtak ki, megnőtt az esélyük a túlélésre.

Hasonlóan a kiszáradás ellen nyújtott a CFTR-mutáció relatív védelmet egy másik elmélet szerint. Itt a szarvasmarha-tenyésztéshez kapcsoltan a felnőttkorban kialakuló laktózintolerancia (ld. később) által okozott hasmenés ellen nyújt a mutáció védelmet.

Egy másik elmélet szerint a mutáció a tuberkulózis ellen nyújtott részben védelmet. Ez a betegség 1600 és 1900 között az összes halál 20%-áért volt felelős Európában. Az elmélet szerint a betegséget okozó baktérium szervezeten belüli fennmaradásához szükség van egy olyan tápanyagra, amelyet a CF-betegek nem termelnek, a heterozigóták pedig kevesebbet termelnek, így bennük a betegség lassabban alakul ki.

A szelekciós előnyt könnyebb magyarázni a sarlóssejtes vérszegénységet okozó mutációnál. Ez az autoszomális betegség, egyes afrikaiakban nagyon gyakori. Az USA-ban minden 600 fekete bőrű emberből 1 beteg, a hordozók aránya: 1/12. Pedig a heterozigóták sem mindig tünetmentesek. A hordozók 5%-nak vér van a vizeletében, katonai alapkiképzésben 20x gyakrabban halnak meg váratlanul. Afrikában egyes területeken a hordozók aránya 1/3. A betegség leggyakoribb oka a hemoglobingén Glu6Val mutációja, amit hemoglobin S-nek neveznek. Ha ennek a mutáns génnek az eloszlását Afrikában összehasonlítjuk a maláriabetegség elterjedésével, rögtön világossá válik, hogy vajon milyen betegség ellen nyújt bizonyos fokú védelmet a mutáció. A szúnyog által terjesztett malária Afrika egyik leggyakoribb betegsége. Évente kb. 350–500 millió megbetegedés történik, ezek közül a halálos kimenetelűek száma egymillió felett van. A hemoglobin S gén heterozigóta hordozása szelekciós előnyt nyújt a malária ellen. A vizsgálatok alapján a heterozigóták maláriával és bizonyos parazitákkal szemben védettebbek.

Az ember genomjában egyre másra találnak nyomokat, amelyek régi fertőzésekre utalnak. Ezek közül az egyik legismertebb a CCR5, és az AIDS vírusa a HIV-1. A HIV-1 fő receptora a makrofágokba és a T-sejtekbe való bejutáshoz a CD4. Fertőzéshez azonban szükség van egy koreceptorra is, ez a CCR5 kemokin receptor. Amikor a HIV-1 vírust felfedezték, és elkezdték terjedését vizsgálni, azt találták, hogy főleg nemi úton terjed. Amikor olyan családokat vizsgáltak, ahol az egyik tag HIV-fertőzött volt, azt vették észre, hogy vannak olyan európai eredetű házastársak, akik nemi életet élnek, az egyikük HIV-fertőzött, de a másik mégsem nem kapja el a fertőzést. Mikor ezek genomját elkezdték vizsgálni, azt találták, hogy homozigóták a CCR5 funkcióvesztett deléciós, Δ32-es mutációjára. A gén hiányának különösebb tünete nincsen, és európai populációban kb. minden 100. emberben nincs működőképes CCR5. Azaz a heterozigóta-gyakoriság kb. 1/10. Ez Magyarországon is így van, itt az allélfrekvencia 11% (6). A mutáció homozigóta hordozóinak nincs CCR5 génje, és a HIV-fertőzéssel szemben gyakorlatilag teljesen védettek. A mutációra heterozigótaság is előnyt jelent. Ugyan ők megfertőződnek, de az AIDS betegség sokkal lassabban alakul ki bennük a vad allél homozigótákhoz képest (kezeletlenül 6–8 év vs. 2–4 év). A kutatások alapján a mutáció több ezer éve keletkezett (7000 év (2900–15 750)). Gyakorisága Európa északi felén nagyobb és dél felé csökken, tehát valószínűleg valamelyik északi népben keletkezett, és onnan terjedt dél felé. Nem európaiakban (afrikai, ázsiai) a mutáció nem fordul elő, kivéve, ha az őseik között volt európai. Feltehetőleg az európai populáció átesett HIV-1-hez hasonló fertőzéseken, valószínűleg többször is, ami szintén a CCR5-öt használta a sejtekbe való bejutáshoz. A CCR5Δ32 szelekciós előnyt biztosított ebben az esetben is. Ezt a fertőzést eddig még nem sikerült egyértelműen bizonyítani. Először a pestisre gyanakodtak (baktérium), majd a himlőre, hiszen ez a HIV-hez hasonlóan szintén vírus (7), de a bizonyítékok nem voltak meggyőzőek. 2013-ban egy, Nature-ben megjelent publikációban leírták, hogy a Staphylococcus aureus leukotoxin ED citotoxikus hatásához is szükséges a CCR5 receptor, a CCR5 KO egerek rezisztensek a fertőzésre, így ez nagy valószínűséggel hozzájárulhatott a CCR5Δ32 allél populációs feldúsulásához.

Példák a genomot formáló szelekciós hatásokra

Az elmúlt néhány évben az újgenerációs szekvenálás fejlődésével és elterjedésével egyre több embert szekvenálnak meg különböző populációkból (1). Így lehetőség nyílik olyan populáció-specifikus variációkat felfedezni, amelyek visszavezethetőek valamilyen környezeti hatásra, genomot formáló természetes szelekcióra. Lássunk ezek közül néhányat.

Az egyes populációk között az egyik legszembetűnőbb különbség lehet a bőrszín. Az ebben tapasztalható különbségekért felelős legfőbb környezeti faktor a napfény. Azokban a populációkban, akiknek az ősei sok napfénynek voltak kitéve sötét, míg azoknak, akik kevésnek, világosabb bőrük van. Ennek két fő hajtóereje van. A napfényben levő UV-sugárzás DNS-mutációkat okoz. Ez ellen a legjobb védelem a melanociták által termelt melanin, amely körbeveszi a sejtmagot, és megvédi a káros sugárzástól. A másik szelekciós tényező a D-vitamin. A D3-vitamin a bőrben, napfény hatására képződik. Minél sötétebb valakinek a bőre, annál több napfény kell, hogy elegendő mennyiségű D-vitamin képződjön benne. Ennek a két nagyon erős szelekciós tényezőnek a hatását több mutációban is tetten érhetjük. Az SLC24A5, TYR, és SLC45A2 gének termékei a melanociták anyagcseréjében játszanak szerepet (1, 9). Ezekben populáció-, és bőrszín-specifikus mutációkat találtak. Az SLC24A5 génben az európaiak közel 100%-ban a 111-es pozícióban treonin van, az afrikaiakban itt alanin. A 111-es treonin becslések szerint 5300–12 000 évvel ezelőtt alakult ki, világosabb bőrszínt okozva. Ez a mutáció az európaiak és az afrikaiak közötti melaninindex-különbség 25–38%-áért felelős. Az SLC45A2 génben L373F mutációban az F (fenilalanin) szintén európai-specifikus. Pl. egy vizsgálatban Sri Lanka-iak és európaiak között 100%-osan különbséget lehetett tenni ez alapján a mutáció alapján.

A napsugárzás erős szelekciós nyomásának ma is tanúi lehetünk. Erre példa, hogy a sok napfényre szelektálódott, Kanadában élő afrikaiak 100%-a, az indiaiak 83%-a, kelet-ázsiaiak 85%-a D-vitamin-hiányban szenved.

A rendelkezésre álló táplálék szintén szelektáló tényező lehet. Erre az egyik példa az AMY1 gén. Ez a keményítő emésztéséért felelős nyálenzimet, az amilázt kódolja. A génben populációspecifikus CNV-t találtak. A mezőgazdálkodással foglalkozó népekben több kópiában fordul elő az AMY1 gén, mint a vadászattal foglalkozókban. A génből több kópiával rendelkezők jobban emésztik a keményítőt.

Szelekciós tényező lehet a magaslaton levő élet is. Itt kevesebb az oxigén, és a nem erre szelektálódott emberek evolúciós hátrányba kerülhetnek. Erre példa, hogy azokban a tibeti nőkben, akiknek magasabb a vér oxigéntartalma, 2x annyi gyermeke marad életben 4000 m magasban. Ez egy jó, élő példa a természetes szelekció működésére.

Felnőttkori tejintoleranciában, más néven laktózintoleranciában felnőttkorban a tejcukor emésztéséhez szükséges gén (laktáz) egyes emberekben kikapcsol. Ennek következtében a tej és tejcukrot tartalmazó tejtermékek hasgörcsöket, hasmenést okoznak. Ebben az esetben az a megoldás, hogy kerülni kell ezeket az ételeket. Magyarországon a lakosság 14%-a tejcukor-érzékeny, de az egyes populációk nagyon különböznek ebben egymástól. Pl. egyes közép-afrikai populációk 100%-a tejcukorérzékeny felnőttkorában.

Az elmúlt évek kutatásai alapján kiderült, hogy a laktázgén (a ritka enzimhiányos kórképet leszámítva), mindenkiben aktív kora gyermekkorban, hiszen ez létszükséglet az anyatejes táplálkozáshoz. A laktázra ezután őseinkben nem volt szükség, ezért az epigenetikai szabályozással (metilációval) felnőttkorra kikapcsolt. Azaz, ez a gén eredeti, vad változata. Később, amikor egyes népcsoportok állattenyésztéssel kezdtek foglalkozni, evolúciós előnyt jelentett, ha valaki felnőttkorban is meg tudta inni a tejet, hiszen éhezési időszakokban ez megmenthette az éhhaláltól. Így azok, akikben valamilyen mutáció miatt nem kapcsolt ki a gén felnőttkorra, nagyobb eséllyel élték túl a táplálékhiányos periódusokat, és túlszaporodták azokat, akikben kikapcsolt. Ez a folyamat az elmúlt kb. 11–12 000 évben párhuzamosan zajlott több pásztorkodással foglalkozó populációban. Mivel a laktázgén szabályozása a gén előtt 13-14 ezer bázispárral történik, itt azonosítottak olyan mutációkat, ami oda vezetett, hogy a gén bekapcsolva marad felnőttkorra is. Amikor különböző populációkat vizsgáltak, azt vették észre, hogy populációspecifikus mutációkról van szó, azaz az egyes populációk különböznek abban, hogy milyen mutáció miatt marad a gén működőképes. Ezt a folyamatot, amikor különböző populációkban különböző folyamatok ugyanahhoz a fenotípushoz vezetnek, konvergens evolúciónak hívjuk (8).

Az egyes populációkban sokszor olyan jellegek is megjelennek, amelyek csak melléktermékei a természetes szelekció indukálta mutációk elterjedésének. Ez két okra vezethető vissza. Az egyik, hogy sokszor a gének pleiotrópok, azaz nem csak egy funkciót töltenek be. Pl. az EDAR gén befolyásolja a hajfollikulusok sűrűségét, az izzadságmirigyek kifejlődését, és a fogak alakját (1). A hidegebb klímára való adaptálódásként az EDAR génben való mutáció befolyásolja a testhőmérséklet szabályozását, illetve a sűrűbb haj kialakulását. Melléktermékként a fogak alakja is megváltozott, aminek pedig nincs köze a populációs fitneszhez. A másik lehetséges ok a nagyobb kiterjedésű haplotípusok jelenléte. Ha a szelekció indukálta mutáció LD miatt magával visz olyan géneket is, amelyeknek nincs köze az adott jelleghez, de esetleg fenotípust befolyásoló hatása van, ez utóbbi is elterjedhet.

Főleg baktériumoknál figyelhető meg, hogy horizontális géntranszferrel a túlélésükhöz előnyös mutációkat tudnak felvenni, pl. antibiotikum-rezisztenciát. Azonban meglepő módon az elmúlt években embernél is találtak erre bizonyítékot. A nemrég felfedezett homo populáció a Denisovan (gyenyiszovai) genomja bizonyítottan 2–7%-ban megtalálható egyes ázsiai populációkban (10). Itt arra találtak bizonyítékokat, hogy a homo sapiens a HLA alléljainak diverzitásának növeléséért HLA-allélokat vett át a gyenyiszovai emberektől, ami feltehetőleg előnyös volt a populáció stabilitásához. Minél diverzebb egy populációnak a HLA-ja, annál több kórokozó ellen tud sikerrel túlélni.